<学习笔记>花点时间让你彻底搞懂I2C总线

Triton.zhang

<学习笔记>花点时间让你彻底搞懂I2C总线 [复制链接]

 

前言

经常在论坛上看到有网友在咨询I2C的问题，这里就I2C总线做一个给比较全面的总结，感兴趣的网友可以耐心的看下去，相信对你会有帮助。

 

【1. 基础知识】

1.1. 关于口线电平

在I2C总线中有2个口线，SDA和SCL。这两个口线对为OC输出。什么是OC呢？相对OC还有什么输出呢?

OC就是开漏输出(Open Collector)的简称，有时候也叫OD输出（Open-Drain），OD是对mos管而言，OC是对双极型管而言，在用法上没啥区别。

相对于OC输出，另一种输出叫推挽输出(Push-Pull)，一般的MCU管脚输出可以设置这两种模式。这里分别介绍下这两种输出的不同点。

 

推挽输出 : 可以输出高、低电平连接数字器件，推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止.

开漏输出 : 输出端相当于三极管的集电极未接任何电平， 要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。

 

对于MCU的开发者来讲，简单的这样理解就可以了。如果管脚设置成推挽输出模式，输出高时，IO口相当于VCC, 输出低时IO口相当于接地。如果管脚设置成开漏输出模式，输出高时，IO口的电平会和与其相连的口线进行与操作，如果都为高，才会被上拉拉成高电平，输出为低时，也相当于接地。

 

I2C总线要实现线与的功能，所以SDA和SCL口线都必须设置为开漏输出模式。我们使用MCU的硬件I2C接口时，口线会被自动设置成开漏。但有时候我们会使用IO口来模拟I2C总线，这个时候我们如何设置口线呢?

 

这里要分两种情况，如果MCU的口线支持开漏输出模式，则可以直接把SDA和SCL设置成开漏输出。例如Silicon 的C8051系列MCU，它的口线就支持开漏和推挽输出。如果MCU不支持开漏输出那怎么办呢？例如MSP430。在网上我们看到很多的例程代码都是直接设置IO口的高低电平，这样做其实是不太合理的。因为我们只满足了I2C总线在自己这端的时序要求。而没有考虑到连接在总线上的其他器件。如果总线上其他器件的电平和MCU输出的电平一致，这样做是没问题的，如果两边的电平不一致时，这样做就有一定风险造成IO的损坏。当你输出高时，相当于IO口连接到VCC，如果对方这是恰好输出的是低电平，那就相当于短路了。当然如果软件做的合理，是可以避免这样的事情的，但总线上的很多器件都不是由你能控制的，如何设计出更合理的软件来避免这样的问题发生呢？

 

对于不支持开漏输出MCU，我们最合理的做法是，当设置口线电平为高时，我们把口线设置成输入状态，然后利用口线上的上拉电阻来把口线拉高。这样即使是两边电平不一致时，也不会造成IO口的损坏。

 

。。。<未完待续>

Triton.zhang

1.2. 关于总线口线

大家都知道I2C是由SDA、SCL两个口线组成的。这两个口线的高低电平组合、上升下降边沿组合就形成了总线的各种时序。这里我们先做一个枚举，看下两个口线能组合出什么样的时序出来。

 

 

上表中灰色部分不是I2C总线关心的，9,10分别被定义为I2C的START和STOP信号。

I2C数据总线SDA是在时钟为高时有效，在时钟SCL为高期间，SDA如果发生了电平变化就会终止或重启I2C中线，所以我们在数据传输过程中，要在SCL为低的时候去更改SDA的电平。

 

zca123

恩。不错不错

duduwang

不错~

open82977352

支持下，收藏了

wangdabo

好 好  太棒了  楼主更新呀   特期待

duduwang

楼主开题写的很好啊，期待继续更新~

jsongyan

期待继续更新~

Triton.zhang

1.3. 关于I2C总线的时序

    在上一节中我讲到了由SDA和SCL能形成的各种电平组合，那么这些组合如何在I2C总线上得到应用的呢?

    在这一节，我们一步一步的来分析I2C总线的逻辑时序。首先是I2C的START信号。

    START信号是在SCL位高电平时，SDA从高电平变成低电平。

    大家想一下为什么是这样设计呢？

     这个和I2C的多主性能有一定关系。因为I2C的总线是开漏输出的，总线上接上上拉电阻后，SCL和SDA就变成了高电平，这个时候挂接在总线上的任意一个I2C主机口可以把SDA拉低，即产生了一个START信号，挂接在总线上的其他I2C主机检测到这个信号后就不能去操作I2C总线了，否则会发生冲突。直到检测到一个STOP信号为止。

STOP的信号是在SCL口线为高时，SDA产生一个上升沿。STOP信号之后，I2C总线恢复到初始状态

 那么这两个时序如何在在我们软件中实现呢? 这里我以MSP430为例，探讨下如何合理的实现这样的代码. 首先，我们需要把SDA和SCL的口线都设置成输入模式（前面讲了为什么），当口线设置成输入模式时，PXOUT寄存器的值是用来设置口线是上拉还是下拉，PXOUT需要设置成上拉。（想一下为什么?）因为如果你设置成下拉的话，一般I2C的总线会接2个上拉电阻，就相当于总线上是图1的等效电路。

当我们设置为口线为输入时，口线的高电平就不会是VCC，而是一个分压后的电平。

[ 本帖最后由 Triton.zhang 于 2012-3-7 09:28 编辑 ]

宇翔

很详细，好资料！谢谢分享！

iceiceice1

好东西,正需要,谢谢分享

czdo2008

孙博

楼主，你的描述中这一句我还是不懂，能详细讲讲吗？谢谢！

“对于不支持开漏输出MCU，我们最合理的做法是，当设置口线电平为高时，我们把口线设置成输入状态，然后利用口线上的上拉电阻来把口线拉高。这样即使是两边电平不一致时，也不会造成IO口的损坏”。

leijiayou

顶！！！！   不错。。。

youngkin

不错哦 谢谢楼主分享

lyzhangxiang

楼主好用心，前些天搞stm32的硬件I2C 头大，特地好好的看了下 Philips的I2C资料，比较详细。

tuzihog

期待继续更新~

lllhhheee

楼主讲的很实用，却是在用IIC时发现了把端口置高电平损坏器件的问题，最后通过LZ的方法解决了问题。

lllhhheee

简单说就是IIC总线上会连接多个器件。
在软件模拟IIC总线接口时：
假设通过P1.1，P1,2分别控制SCL,SDA
如果需要SDA传输一个高电平很多书上都是直接
P1DIR = BIT2;
P1OUT |=BIT2;
这么做当总线上其它从器件SDA也输出高电平相当于短路，会损坏器件。
正确做法是
SCL,SDA连接一个上拉电阻接VCC
然后
P1DIR  ~= BIT2 端口置输入状态相当于置高电平
P1DIR |= BIT2 端口置输出状态相当于置低电平

张无忌1987

不错，顶