I2C基礎知識入門簡單介紹

2020-12-04 電子發燒友

I2C基礎知識入門簡單介紹

玩轉單片機 發表於 2020-12-02 14:29:05

廢話

I2C其實肝的我挺難受的，通訊協議這種規範往往可以摳出很多的細節，看了波叔的文章《萬變不離其宗之I2C總線要點總結》，很詳細。我打賭我還不會I2C，因為涉及到很多技術細節，在實際項目中往往是會被忽略的問題，於是結合自己以前的項目經驗，簡單再總結一下I2C，由於認知偏差，寫完之後，長籲一口氣，感覺自己好像懂了。

目錄

背景

硬體層

數據傳輸協議

實際上如何工作？

單個主設備連接多個從機

多個主設備連接多個從機

總結

背景

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統或手機與周邊設備組件之間的通訊。由於其簡單性，它被廣泛用於微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設備，EEPROM等之間的通信。

I2C最重要的功能包括：

只需要兩條總線；

沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；

所有組件之間都存在簡單的主/從關係，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟體尋址；

I2C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和衝突檢測；

傳輸速度；

標準模式：Standard Mode=100 Kbps

快速模式：Fast Mode=400 Kbps

高速模式：High speed mode=3.4 Mbps

超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps

最大主設備數：無限制；

最大從機數：理論上是127；

以上是I2C的一些重要特點，下面會進一步對I2C進行介紹。

硬體層

I2C協議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數據線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數據線需要接上拉電阻。

設備間的連接如下所示：

使用I2C，可以將多個從機（Slave）連接到單個主設備（Master），並且還可以有多個主設備（Master）控制一個或多個從機（Slave）。

假如希望有多個微控制器（MCU）將數據記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個LCD時，這個功能就非常有用。

I2C總線（SDA，SCL）內部都使用漏極開路驅動器（開漏驅動），因此SDA和SCL 可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認情況下將其保持在高電平；

上拉電阻的值取決於許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：

其中 是邏輯低電壓；

是邏輯低電流；

是信號的最大上升時間；

是總線（電線）電容；

具體如下所示：

根據上表，這裡不難發現需要在做電阻選擇需要滿足幾個條件；

灌電流 最大值為；

另外I2C總線規範和用戶手冊還為低電平輸出電壓設置了最大值為0.4V

所以根據上述公式可以計算，對於5V的電源，每個上拉電阻阻值至少1.53kΩ，而對於3.3V的電源，每個電阻阻值至少967Ω。

如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ。

上述推導過程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

最終在調試的時候，當我們測量SDA或SCL信號並且邏輯LOW上的電壓高於0.4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；

當然，這並不意味著每當灌電流超過3mA時，設備就會立即停止工作。但是，在操作超出其規格的設備時，應始終小心，因為它可能導致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備。

數據傳輸協議

主設備和從設備進行數據傳輸時遵循以下協議格式。數據通過一條SDA數據線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數據。串行數據序列的結構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，數據位，停止條件，具體如下所示；

開始條件

當主設備決定開始通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；

先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；

然後將SCL從高電平切換到低電平；

在主設備發送開始條件信號之後，所有從機即使處於睡眠模式也將變為活動狀態，並等待接收地址位。

具體如下圖所示；

地址位

通常地址位佔7位數據，主設備如果需要向從機發送/接收數據，首先要發送對應從機的地址，然後會匹配總線上掛載的從機的地址；

I2C還支持10位尋址；

讀寫位

該位指定數據傳輸的方向；

如果主設備需要將數據發送到從設備，則該位設置為 0；

如果主設備需要往從設備接收數據，則將其設置為 1 。

ACK / NACK

主機每次發送完數據之後會等待從設備的應答信號ACK；

在第9個時鐘信號，如果從設備發送應答信號ACK，則SDA會被拉低；

若沒有應答信號NACK，則SDA會輸出為高電平，這過程會引起主設備發生重啟或者停止；

數據塊

傳輸的數據總共有8位，由發送方設置，它需要將數據位傳輸到接收方。

發送之後會緊跟一個ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數據，則設置為0。否則，它保持邏輯「 1」。

重複發送，直到數據完全傳輸為止。

停止條件

當主設備決定結束通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；

先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；

再將SCL線從高電平拉到低電平；

具體如下圖所示；

實際上如何工作？

第一步：起始條件

主設備通過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連接的從機發送啟動條件 ：

第二步：發送從設備地址

主設備向每個從機發送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應的讀/寫位；

第三步：接收應答

每個從設備將主設備發送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從設備通過將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位；

如果來自主設備的地址與從機自身的地址不匹配，則從設備將SDA線拉高，表示返回一個NACK位；

第四步：收發數據

主設備發送或接收數據到從設備；

第五步：接收應答

在傳輸完每個數據幀後，接收設備將另一個ACK位返回給發送方，以確認已成功接收到該幀：

第六步：停止通信

為了停止數據傳輸，主設備將SCL切換為高電平，然後再將SDA切換為高電平，從而向從機發送停止條件；

單個主設備連接多個從機

I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址，可以使用128（）個從機地址。

請使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc；

多個主設備連接多個從機

多個主設備可以連接到一個或多個從機；

當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發送或接收數據時，同一系統中的多個主設備就會出現問題。

為了解決這個問題，每個主設備都需要在發送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平；

如果SDA線為低電平，則意味著另一個主設備可以控制總線，並且主設備應等待發送消息。

如果SDA線為高電平，則可以安全地發送消息。

要將多個主設備連接到多個從機，請使用下圖，其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

總結

本文主要介紹I2C的入門基礎知識，從I2C協議的硬體層，協議層進行了簡單介紹；作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。

責任編輯：xj

       原文標題：I2C基礎知識入門

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