1 簡(jiǎn)介

IIC-BUS的英文全稱是Inter-Integrated Circuit Bus，其主要的目的是實(shí)現(xiàn)微控制器與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它是一種半雙工通信方式，通信方式簡(jiǎn)單，僅包含SDA（數(shù)據(jù)總線）和SCL（時(shí)鐘總線）組成。通信總線通常由主設(shè)備和從設(shè)備組成，從設(shè)備是通過(guò)設(shè)備地址來(lái)進(jìn)行區(qū)分，在同一時(shí)刻，設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送只能由一個(gè)設(shè)備傳送給對(duì)應(yīng)地址的設(shè)備。

什么是I2C總線主設(shè)備和從設(shè)備？

主設(shè)備 ：I2C總線的主導(dǎo)者，能向從西安發(fā)送起始信號(hào)和中止信號(hào)，且能決定總線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。另外，主設(shè)備能發(fā)送指令，同時(shí)既能向從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)也能向從設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

從設(shè)備 ：I2C總線的被動(dòng)者，對(duì)主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)做出及時(shí)響應(yīng)。從設(shè)備的類型比較多，具體可以是EEROM、各種傳感器等。

I2C總線最大可以掛在多少個(gè)設(shè)備？

最大電容限制（標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式為400pF,高速模式為500pF）。且在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中最好保證I2C設(shè)備不超過(guò)8個(gè)（經(jīng)驗(yàn)之談）。

有些設(shè)備預(yù)留地址線的僅3位（相同設(shè)備最多掛在8個(gè)，2^3=8），甚至更少。

I2C總線最大的傳輸速率為多少？

之前在講串口電路時(shí)，有講過(guò)一個(gè)“波特率”概念，不知道是否有人知道波特率和比特率的區(qū)別？

波特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。

比特率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩?jí)制位數(shù)。

二者換算關(guān)系為：比特率=波特率×log2n，此處分享一個(gè)計(jì)算的案例：

2 I2C總線特點(diǎn)

• 簡(jiǎn)單和靈活 ：僅包含數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，物理通信鏈路簡(jiǎn)單。
• 雙向傳輸 ：主設(shè)備既能向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備也能向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 時(shí)鐘同步 ：采用串行時(shí)鐘總線，能有效保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
• 多種設(shè)備支持 ：總線上掛載的設(shè)備，可以掛在多種不同設(shè)備，不受設(shè)備類型的影響。

3 編碼規(guī)則

• 起始信號(hào)和停止信號(hào)
• 起始信號(hào)：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由高電平變?yōu)榈碗娖降倪^(guò)程。
• 停止信號(hào)：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由低電平變?yōu)楦唠娖降倪^(guò)程。

注意： 在IIC空閑時(shí)，SDA、SCL都是保持高電平 。（I2C信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，先查看SCL和SDA的電平）

• 應(yīng)答信號(hào)和非應(yīng)答信號(hào)
• 應(yīng)答信號(hào)：當(dāng)主設(shè)備傳送8位數(shù)據(jù)結(jié)束后，主機(jī)會(huì)將SDA線拉高，此時(shí)如果從設(shè)備正確接收數(shù)據(jù)則會(huì)將SDA拉低并在SCL高電平時(shí)保持低電平，這個(gè)信號(hào)為ACK信號(hào)
• 非應(yīng)答信號(hào)：如果在傳輸8位數(shù)據(jù)后從機(jī)沒(méi)有將SDA拉低則該信號(hào)為NACK。

4 信號(hào)傳輸

IIC總線上面的每一個(gè)設(shè)備都有唯一的地址與之對(duì)應(yīng)，信號(hào)傳輸時(shí)也是根據(jù)指定的地址找到設(shè)備來(lái)傳輸信號(hào)。

• 寫(xiě)操作
• 主設(shè)備確定從設(shè)備地址，發(fā)送起始信號(hào)；
• 向總線設(shè)備的地址以及數(shù)據(jù)傳輸方向；
• 從設(shè)備收到主設(shè)備的信號(hào)后沒(méi)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；
• 主設(shè)備向從設(shè)備以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，且每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)接收來(lái)自從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)；
• 數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，從設(shè)備發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，表明此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

• 讀數(shù)據(jù)
• 主設(shè)備確認(rèn)從設(shè)備地址，發(fā)送起始信號(hào)；
• 向總線上發(fā)送從設(shè)備的地址以及讀取數(shù)據(jù)的命令；
• 對(duì)應(yīng)的從設(shè)備回復(fù)應(yīng)答信號(hào)；
• 從設(shè)備向主設(shè)備回復(fù)主設(shè)備要讀取的數(shù)據(jù)；
• 從設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給完成后，主機(jī)向從設(shè)備發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，然后中止數(shù)據(jù)的讀取。

5 總線仲裁

總線上存在兩個(gè)及兩個(gè)以上主設(shè)備時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主設(shè)備向總線上發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)。當(dāng)總線上同時(shí)存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上主設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)，就會(huì)造成總線沖突。此時(shí)，就需要進(jìn)行I2C總線仲裁。分以下兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)：

時(shí)鐘同步

時(shí)鐘總線（SCL）具有“線與”的邏輯功能，就是當(dāng)總線有任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送低電平時(shí)，總線就會(huì)呈現(xiàn)低電平的狀態(tài)。（所有節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)高電平時(shí)，總線表現(xiàn)為高電平）

SDA仲裁

SDA仲裁也是基于“線與”的邏輯功能，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，比較總線與發(fā)送的數(shù)據(jù)是否一致，保持一致則繼續(xù)發(fā)送，否則退出競(jìng)爭(zhēng)。SDA仲裁這種機(jī)制保證了I2C中線上即使有多個(gè)主設(shè)備，也不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

仲裁過(guò)程

1. 設(shè)備1和設(shè)備2同時(shí)向設(shè)備發(fā)送起始信號(hào)，總線上電平與發(fā)送電平一致，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；
2. 設(shè)備1和設(shè)備2同時(shí)向設(shè)備發(fā)送低電平，總線上電平與發(fā)送電平一致，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；
3. 設(shè)備1發(fā)送高電平。設(shè)備2發(fā)送低電平。此時(shí)，總線呈現(xiàn)低電平狀態(tài)?？偩€的電平與設(shè)備1發(fā)送的電平不一致，退出競(jìng)爭(zhēng)，且變?yōu)閺脑O(shè)備。設(shè)備2繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 上拉電阻計(jì)算

由于I2C總線端口的高電平是通過(guò)上拉電阻實(shí)現(xiàn)，線上的電平從低變高時(shí)，電源通過(guò)上拉電阻對(duì)線上負(fù)載電容CL充電，這需要一定的上升時(shí)間。

電容充電一般公式：

整理可得：

I2C規(guī)范將低于VIL或0.3VDD的電壓定義為邏輯低電平，同樣將高于VIH或0.7VDD的電壓定義為邏輯高電平。由上式可以求得：

即T1=0.356675*CL

所以最大上拉電阻為：

結(jié)論：電源電壓決定上拉電阻的最小值，總線負(fù)載電容決定上拉電阻的最大值。

當(dāng)Tr取最大值，CL取最小值時(shí)，R有最大值。

所以快速模式下，負(fù)載電容為50pF: