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一文搞懂I2C通信
 
作者: 菜刀和小麦
  12822  次浏览      17 次
 2022-3-29
 
编辑推荐:
本文主要介绍I2C之间的通信问题,数据传输协议以及工作过程,希望对您的学习有所帮助。
本文来自于微信公众号:小麦大叔,由火龙果软件Alice编辑、推荐。

I2C Inter-Integrated Circuit ),中文应该叫 集成电路总线 ,它是一种串行通信总线,使用多主从架构,是由飞利浦公司在1980年代初设计的,方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性,它被广泛用于微控制器与传感器阵列,显示器,IoT设备,EEPROM等之间的通信。

I2C主要特点如下所示:

  • 只需要两条总线;
  • 没有严格的波特率要求,例如使用RS232,主设备生成总线时钟;
  • 所有组件之间都存在简单的主/从关系,连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址;
  • I2C是真正的多主设备总线,可提供仲裁和冲突检测;
  • 传输速度分为四种模式:

1、标准模式:Standard Mode=100 Kbps

2、快速模式:Fast Mode=400 Kbps

3、高速模式:High speed mode=3.4 Mbps

4、超快速模式:Ultra fast mode=5 Mbps

  • 最大主设备数:无限制;
  • 最大从机数:理论上是127。

1、硬件层

I2C 协议仅需要 SDA和SCL 两个引脚。SDA是 串行数据线的 缩写,而SCL是 串行时钟线的 缩写。这两条数据线需要接上拉电阻。设备间的连接如下图所示:

使用I2C,可以将多个从机( Slave )连接到单个主设备( Master )(一对多通信),并且还可以有多个主设备( Master )控制一个或多个从机( Slave )(多对多通信)。

I2C总线( SDA , SCL )内部都使用漏极开路驱动器(开漏驱动),因此 SDA 和 SCL 可以被拉低为低电平,但是不能被驱动为高电平 ,所以每条线上都要使用一个上拉电阻,默认情况下将其保持在高电平;

上拉电阻的值取决于许多因素。德州仪器TI 建议使用以下公式来计算正确的上拉电阻值:

其中VLO是逻辑低电压;

IOL是逻辑低电流;

TR是信号的最大上升时间;

CB是总线(电线)电容;

具体如下所示:

根据上表,这里不难发现需要在做电阻选择需要满足几个条件;

  • 灌电流最大值为3mA;
  • 另外I2C总线规范和用户手册还为低电平输出电压设置了最大值为0.4V。

所以根据上述公式可以计算,对于5V的电源,每个上拉电阻阻值至少1.53kΩ,而对于3.3V的电源,每个电阻阻值至少967Ω。

如果觉得计算电阻值比较麻烦,也可以使用 典型值 4.7kΩ

上述推导过程可以参考 TI的文档《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》
https://www. ti.com/lit/an/slva689/s lva689.pdf

最终在调试的时候,当测量SDA或SCL信号并且逻辑LOW上的电压高于0.4V时,我们就知道可以知道灌电流太高了;

当然,这并不意味着每当灌电流超过3mA时,设备就会立即停止工作。但是,在操作超出其规格的设备时,应始终小心,因为它可能导致通信故障,缩短其使用寿命甚至甚至永久损坏设备。

2、数据传输协议

主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输 0 和 1 的串行数据。串行数据序列的结构可以分为,开始条件,地址位,读写位,应答位,数据位,停止条件,具体如下图所示:

开始条件

当主设备决定开始通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作:

  • 先将SDA线从高压电平切换到低压电平;
  • 然后将 SCL 从高电平切换到低电平;

在主设备发送开始条件信号之后,所有从机即使处于睡眠模式也将 变为活动状态 ,并 等待接收地址位 。具体如下图所示:

地址位

通常地址位占7位数据,主设备如果需要向从机发送/接收数据,首先要发送对应从机的地址,然后会匹配总线上挂载的从机的地址。

I2C还支持10位寻址;

读写位

该位指定数据传输的方向。

  • 如果主设备需要将数据发送到从设备,则该位设置为 0 ;
  • 如果主设备需要往从设备接收数据,则将其设置为 1 。

ACK/NACK

主机每次发送完数据之后会等待从设备的应答信号 ACK。

  • 在第9个时钟信号,如果从设备发送应答信号 ACK ,则 SDA 会被拉低;
  • 若没有应答信号 NACK ,则 SDA 会输出为高电平,这过程会引起主设备发生重启或者停止;

数据块

传输的数据总共有8位,由发送方设置,它需要将数据位传输到接收方。

发送之后会紧跟一个 ACK / NACK 位,如果接收器成功接收到数据,则设置为0。否则,它保持逻辑“ 1”。

重复发送,直到数据完全传输为止。

停止条件

当主设备决定结束通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作;

  • 先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平;
  • 再将SCL线从高电平拉到低电平。

具体如下图所示:

3、工作过程

第1步:起始条件

主设备通过将SDA线从高电平切换到低电平,再将SCL线从高电平切换到低电平,来向每个连接的从机发送启动条件,如下图所示:

第2步:发送从设备地址

主设备向每个从机发送要与之通信的从机的7位或10位地址,以及相应的 读/写位 ,如下图所示:

第3步:接收应答

每个从设备将主设备发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配,则从设备通过 将SDA线拉低一位以表示返回一个ACK位

如果来自主设备的地址与从机自身的地址不匹配,则 从设备将SDA线拉高,表示返回一个NACK位。

第4步:收发数据

主设备发送或接收数据到从设备,如下图所示:

第5步:接收应答

在传输完每个数据帧后,接收设备将另一个ACK位返回给发送方,以确认已成功接收到该帧,如下图所示:

第6步:停止通信

为了停止数据传输,主设备将SCL切换为高电平,然后再将SDA切换为高电平,从而向从机发送停止条件,如下图所示:

3.1、单个主设备连接多个从机

I2C总线上的主设备使用7位地址对从设备进行寻址,可以使用128(2的7次方)个从机地址,如下图所示:

3.2、多个主设备连接多个从机

多个主设备可以连接到一个或多个从机;

当两个主设备试图通过SDA线路同时发送或接收数据时,同一系统中的多个主设备就会出现问题。

为了解决这个问题, 每个主设备都需要在发送消息之前检测SDA线是低电平还是高电平

  • 如果SDA线为低电平,则意味着另一个主设备可以控制总线,并且主设备应等待发送消息;
  • 如果SDA线为高电平,则可以安全地发送消息。

 
   
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