第11章IIC模块及其应用

1、第11章GB60的IIC模块及其应用*第11章GB60的IIC模块及其应用IIC总线协议是Philips公司提出的用于在IC器件之间两线式连接规范，与SPI类似， IIC也已发展成为一种工业标准。目前，各半导体公司推出了大量的带有IIC接口的芯片，如RAM EEPROMFIash ROM A/D、D/A转换、LED/LC驱动、I/O 接口、实时时钟等。本 章首先介绍了 IIC总线及其工作原理，然后讲述了 MC9S08GB6的 IIC模块的使用方法，并 给出了 GB6C和时钟芯片PCF8563通过IIC总线连接的实例。11.1 IIC总线概述2 IIC(Inter-lntegrated Circuit)总线，许多文献写作 I C,本书中统一用IIC，主要用于 同一电路板内各集成电路模块(IC)之间的连接。IIC采用双向2线制串行数据传输方式，支持任何一种IC制造工艺，简化IC之间的通信连接。IIC是PHILIPS公司于二十世纪 八十年代初提出，其后，PHILIPS和其他厂商提供了种类丰富的IIC兼容芯片。目前，IIC总线标准已经成为世界性的工业标准。1. IIC总线特点回顾SPI，它采用

2、的是数据输入、数据输出、时钟三线，加片选线形式，对于少数外围器件的扩展极为方便，但当外围器件较多时，就要有相应多的片选线，而且由这种总线组成的多机系统中只能有一个主机。相比之下IIC总线克服了 SPI的不足。在硬件结构上，它采用数据(SDA)和时钟(SCL)两根线来完成数据的传输及外围器件的扩展， 任何一个具有IIC总线接口的外围器件，不论其功能差别有多大，都具有相同的电气接口，因此都可以挂接在总线上，甚至可在总线工作状态下撤除或挂上，使其连接方式变得十分简单。对各器件的寻址是软寻址方式，因此节点上没有必须的片选线，器件地址给定完全取决于器件类型与单元结构，这也简化了IIC系统的硬件连接。另外IIC总线能在总线竞争过程中进行总线控制权的仲裁和时钟同步，并且不会造成数据丢失，因此由IIC总线连接的多机系统可以是一个多主机系统。IIC主要特点如下。 在硬件上，二线制的IIC串行总线使得各IC只需最简单的连接，而且总线接口都集成在IC中，不需另加总线接口电路。电路的简化省去了电路板上大量走线，减少 电路板面积，提高了可靠性，降低了成本。在IIC总线上各IC除了个别中断引线外，相互之间没有其他

3、连线，用户常用的IC基本上与系统电路无关，故极易形成用户自己的标准化、模块化设计。 IIC总线还支持多主控(multi-mastering)，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主机。一个主机能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主机。 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s。 连接到相同总线的IC数量只受到总线最大电容 (400pf)的限制。但如果在总线中加上82B715总线远程驱动器可以把总线电容扩展十倍，传输距离可增加到15m。2. IIC总线标准的发展历史从飞利浦公司提出IIC总线标准到现在，IIC已经发展了 20几个年头。1992年PHILIPS首次发布IIC总线规范 Version1.0并取得专利。1998年PHILIPS发布IIC总线规范 Version2.0,至此，标准模式和快速模式的 IIC 总线已经获得了广泛应用， 标准模式传输速率为 100kbits/s，快速模式400k

4、bits/s。同时， IIC总线也由7位寻址发展到10寻址，满足了更大寻址空间的需求。随着数据传输速率和应用功能的迅速增加，2001年PHILIPS又发布了 IIC总线规范Version2.1 ,完善和扩展了 IIC总线的功能，并提出了传输速率可达 3.4Mbit/s的高速 模式，它使得IIC总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用，例如EEPROM和Flash存储器等。目前，IIC总线己经被大多数的芯片厂家所采用，比如世界上较为著名的有STMicroelectronics、Texas Instruments、Xicor、Intel、Maxim、Atmel、Analog Devices、Infineon Tech no logies等，IIC总线标准已经属于世界性的工业标准。 IIC总线始终和先进技术保 持同步，但仍然保持向下兼容。相信随着技术的进一步成熟，IIC总线将会有更广泛的应用。3. IIC总线的相关术语本书在介绍IIC总线过程中涉及到以下术语： 主机(主控器)：在IIC总线中，提供时钟信号，对总线时序进行控制的器件。主机负责总线上各个设备信息的传输控制，检测并协调数据的发送

5、和接收。主机对整个数据传输具有绝对的控制权，其它设备只对主机发送的控制信息作出响应。如果在IIC系统中只有一个 MCU，那么通常由 MCU担任主机。 从机(被控器)：在IIC系统中，除主机外的其他设备均为从机。主机通过从机地址访问从机，对应的从机作出响应，与主机通信。从机之间无法通信，任何数据传输都必须通过主机进行。 地址：每一个IIC器件都有自己的地址，以供自身在从机模式下使用。在标准的IIC中定义从机地址是 7位(扩展IIC允许10位地址)。地址0000000 般用于发 出通用 呼叫或总线广播。 发送器：发送数据到总线的器件。 接收器：从总线接收数据的器件。 SDA(Serial DAta):串行数据线。 SCL(Serial CLock)：串行时钟线。11.2 IIC总线工作原理图11-1给出一个由MCU作为主机，通过IIC总线带3个从机的单主机IIC总线系 统。这是最常用、最典型的IIC总线连接方式。SCL rttu 颐SDA1JRL +5VR1iCL SDASCL SDASCL SDA丛机1从JU从机13图11-1 IIC总线的典型连接物理结构上，IIC系统由一条串行数据线

6、SDA和一条串行时钟线 SCL组成。主机 按一定的通信协议向从机寻址和进行信息传输。在数据传输时，由主机初始化一次数据传输，主机使数据在SDA线上传输的同时还通过 SCL线传输时钟。信息传输的对象和 方向以及信息传输的开始和终止均由主机决定。每个器件都有一个唯一的地址，而且可以是单接收的器件（例如：LCD驱动器）或者可以接收也可以发送的器件（例如：存储器）。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作，这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。1. 总线上数据的有效性泌/ i1 x丨III通/ny数据线稳定允许改变I；数据有效数据期III图11-2 IIC总线上数据的有效性IIC总线是以串行方式传输数据，从数据字节的最高位开始传送，每一个数据位在 SCL上都有一个时钟脉冲相对应。在时钟线高电平期间数据线上必须保持稳定的逻辑 电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上的电平状态变化，如图11-2所示。2. 总线上的信号IIC总线在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是：开始信号、停止信号、重新开始信号和应答信号。开始信号（START）:如图1

7、1-3所示，当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平 跳变，产生开始信号。当总线空闲的时候，例如，没有主动设备在使用总线 （SDA和SCL 都处于高电平），主机通过发送开始（START）信号建立通信。图11-3开始、重新开始和停止信号SOASCI停止信号（STOP）:如图11-3所示，当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳 变，产生停止信号。主机通过发送停止信号，结束数据通信。重新开始信号（Repeated START）:在IIC总线上，由主机发送一个开始信号启动一 次通信后，在首次发送停止信号之前，主机通过发送重新开始信号，可以转换与当前从机的通信模式，或是切换到与另一个从机通信。如图11-3所示，当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，产生重新开始信号，它的本质就是一个开始信号。开始信号I1发送器输出信号/:厂飞二非应答信号（A） 接收器 .输出信号主机产生的应答信号（A）SCL信号L_Jt应答时钟周期图11-4 IIC总线的应答信号应答信号（A）:接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出的特定的低电平脉冲。每一个数据字节后面都要跟一位应答信号，表示已

8、收到数据。应答信号在第9个时钟周期出现，这时发送器必须在这一时钟位上释放数据线，由接收设备拉低SDA电平来产生应答信号， 由接收设备保持 SDA的高电平来产生非应答信号 （A）,如图 11-4所示。所以，一个完整的字节数据传输需要9个时钟脉冲。如果从机作为接收方向主机发送非应答信号，这样，主机方就认为此次数据传输失败；如果是主机作为接收方，在从机发送器发送完一个字节数据后，发送了非应答信号， 从机就认为数据传输结束，并释放SDA线。不论是以上哪种情况都会终止数据传输，这时，主机或是产生停 止信号释放总线，或是产生重新开始信号，开始一次新的通信。开始信号、重新开始信号和停止信号都是由主控制器产生，应答信号由接收器产生，总线上带有IIC总线接口的器件很容易检测到这些信号。3. 总线上数据传输格式一般情况下，一个标准的 IIC通信由四部分组成：开始信号、从机地址传输、数据 传输、停止信号。由主机发送一个开始信号，启动一次lie通信；在主机对从机寻址后，再在总线上传输数据。lie总线上传送的每一个字节均为8位，首先发送的数据位为最高位，每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，每次通信的数据字节数

9、是没有限制的；在全部数据传送结束后，由主机发送停止信号，结束通信。开始或重新开始信号停止或重新开始信号皿匕亠二 D7 ：D6 D1 D0 AD7 D6 U_A/A.字节传送完成后, 从机产生中断在从机中断时，时钟线保持低时钟线保持低in图11-5 IIC总线的数据传输格式图11-5所示，时钟线为低电平时数据传送将停止进行。这种情况可以用于当接收器接收到一个字节数据后要进行一些其它工作而无法立即接收下一个数据时，迫使总线进入等待状态，直到接收器准备好接收新数据时，接收器再释放时钟线使数据传送得以继续正常进行。例如，当接收器接收完主控制器的一个字节数据后，产生中断信号并进行中断处理，中断处理完毕才能接收下一个字节数据，这时接收器在中断处理时将钳住SCL为低电平，直到中断处理完毕才释放SCL。4. IIC总线寻址约定为了消除IIC总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连接线，IIC总线采用了独特的寻址约定，规定了开始信号后的第一个字节为寻址字节，用 来寻址被控器件，并规定数据传送方向。在IIC总线系统中，寻址字节由被控器的七位地址位（它占据了 D7-D1位）和一位方向位（为D0位）组成。方向位为0时表示主控器将数据写入被控器，为1时表示主控器从被控器读取数据。主控器发送开始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上

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