2019年10月15日 | 51单片机I2C详解与程序源码

I2C是由Philips公司发明的一种串行数据通信协议，仅使用两根信号线：SerialClock（简称SCL）和SerialData（简称SDA）。I2C是总线结构，1个Master，1个或多个Slave，各Slave设备以7位地址区分，地址后面再跟1位读写位，表示读（=1）或者写（=0），所以我们有时也可看到8位形式的设备地址，此时每个设备有读、写两个地址，高7位地址其实是相同的。

I2C数据格式如下：

无数据：SCL=1，SDA=1；

开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；

停止位（Stop）：当SCL=1时，SDA由0向1跳变；

数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；

当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；

地址位：定义同数据位，但只由Master发给Slave；

应答位（ACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；

否应答位（NACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。

当数据为单字节传送时，格式为：

开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，停止位。

当数据为一串字节传送时，格式为：

开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，8位数据，应答，……，8位数据，应答，停止位。

需要注意的是：

1，SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。

2，开始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master来发出。

3，地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送“Stop”。

4，当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。

5，当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。

6，当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放（SCL=0将发生“线与”）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

在实际应用中，并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下，编程者可以事先约定数据传送的长度，slave不检查NACK，有时可以起到减少系统开销的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要标准的NACK，master方是GPIO软件模拟i2c并没有正确的发送NACK，就会出现“slave收不到stop”导致i2c挂死。

在正常情况下，I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是，当I2C主设备异常复位时(看门狗动作，板上电源异常导致复位芯片动作，手动按钮复位等等)有可能导致I2C总线死锁产生。下面详细说明一下总线死锁产生的原因。

在I2C主设备进行读写操作的过程中.主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲，然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说.复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种死锁状态。同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

方法

(1)尽量选用带复位输人的I2C从器件。

(2)将所有的从I2C设备的电源连接在一起，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。

(3)在I2C从设备设计看门狗的功能。

(4)在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序。

每次I2C主设备复位后，如果检测到SDA数据线被拉低，则控制I2C中的SCL时钟线产生9个时钟脉冲(针对8位数据的情况，“9个clk可以激活”的方法来自NXP的文档，NXP（Philips）作为I2C总线的鼻祖，这样的说法是可信的)，这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作，从死锁状态中恢复过来。

这种方法有很大的局限性，因为大部分主设备的I2C模块由内置的硬件电路来实现，软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲。

或者，发送I2C_Stop条件也能让从设备释放总线。

如果是GPIO模拟I2C总线实现，那么在I2C操作之前，加入I2C总线状态检测I2C_Probe，如果总线被占用，则可尝试恢复总线，待总线释放后，再进行操作。要保证I2C操作最小单元的完整性，不被其他事件（中断、高优先级线程，等）打断。

(5)在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟脉冲，使I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。

(6)在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器，如Linear公司的LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器，并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输入侧连接主设备，总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时，就自动断开I2C总线输入侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后，LTC4307会再次连接输入输出侧，使总线能够正常工作。

void I2Cstart()//开始标志  

{     

    SDA=1;  

    SCL=1;  

    SDA=0;  

    delay1ms(4);  

    SCL=0;  

    delay1ms(4);  

}  

void I2Cstop()//结束标志  

{  

    SCL=0;  

    delay1ms(4);  

    SDA=0;  

    delay1ms(4);  

    SCL=1;  

    delay1ms(4);  

    SDA=1;  

    delay1ms(4);  

}  

unsigned char I2Creadack()  

{  

    unsigned char i,byte;  

    byte=0;  

    for(i=0;i<8;i++)  

    {  

        SCL=0;  

        SDA=1;  

        delay1ms(4);  

        byte<<=1;  

        if(SDA==1)  

        {  

            byte|=0x01;  

            delay1ms(4);  

        }  

    }  

    SCL=0;  

    delay1ms(4);  

    SDA=0;  

    delay1ms(4);  

    SCL=1;  

    delay1ms(4);  

    SCL=0;  

    return byte;  

}  

void I2Csend(unsigned char byte)//I2C写数据的过程  

{  

    unsigned char mask,i;  

    for(i=0;i<8;i++)  

    {     

        SCL=0;  

        if((mask&byte)==0)  

        {  

            SDA=0;  

        }  

        else  

        {  

            SDA=1;  

        }  

        mask>>=1;  

        delay1ms(4);  

        SCL=1;//给足够时间让数据读取  

        delay1ms(4);  

    }  

    SCL=0;  

    SDA=1;      //因为总线上有一个信号为低则低  

    delay1ms(4);  

    SCL=1;  

    delay1ms(4);//等待应答位  

    SCL=0;  

}  

unsigned char I2Cread(void)  

{  

    unsigned char i,byte;  

    byte =0;  

    for(i=0;i<8;i++)  

    {  

        SCL=0;  

        SDA=1;//读数据必须拉高  

        delay1ms(4);  

        SCL=1;//数据稳定  

        delay1ms(4);  

        byte<<=1;  

        if(SDA==1)  

        {  

            byte|=0x01;  

        }  

        delay1ms(4);  

    }  

    SCL=0;  

    delay1ms(4);  

    SDA=0;//发送的应答位  

    delay1ms(4);  

    SCL=1;  

    delay1ms(4);  

    SCL=0;  

    return byte;  

}  

unsigned char I2Cread_eeprom(unsigned char addr)//I2C读取数据  

{  

    unsigned char datebyte,datebyte2;  

    I2Cstart();  

    I2Csend(0xa0);//写数据  

    I2Csend(addr);  

    I2Cstart();  

    I2Csend(0xa1);//读数据  

    datebyte2=I2Creadack();  

    datebyte=I2Cread();  

    I2Cstop();  

    return datebyte;  

}  

void write_eeprom(unsigned char addr,unsigned char datebyte)  

{  

    I2Cstart();  

    I2Csend(0xa0);  

    I2Csend(addr);  

    I2Csend(datebyte);  

    I2Cstop();  

}