I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是由Philips公司開發(fā)的一種雙向二線制同步串行總線，它只需要兩條線（SDA，SCL）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。I2C總線的工作速率有100k、400k和4M三種，支持多機通訊，支持多主控模塊但同一時刻只允許有一個主控端。

SCL（Serial Clock）：邊沿觸發(fā)方式，上升沿將數(shù)據(jù)輸入到EEPROM，下降沿驅(qū)動EEPROM輸出數(shù)據(jù)。

SDA（Serial Data Line）：雙向數(shù)據(jù)線，OD門，每次傳輸8bit。

成都英創(chuàng)ETA202 I2C矩陣鍵盤擴展模塊

I2C總線中主要定義如下：

發(fā)送機（Transmitter）：向總線傳輸數(shù)據(jù)的設備。

接收機（Receiver）：從總線接收數(shù)據(jù)的設備。

主機（Master）：產(chǎn)生時鐘、啟動發(fā)送、發(fā)送I2C命令、停止發(fā)送的設備。

從機（Slave）：監(jiān)聽總線并且被主機尋址的設備。

多主控（Multi-master）：總線上可以有多個主機，每一個都可以發(fā)送命令。

仲裁（Arbitration）：在有多個主機同時嘗試控制總線時，只允許其中一個控制總線并使報文不被破壞的過程。

同步（）：兩個或多個設備同步時鐘信號的過程。

SCL和SDA信號都是雙向的，他們通過電阻連接到電源上，總線空閑時兩條線都處于高電平狀態(tài)。I2C總線上的設備都必須有集電極開路或者漏極開路管腳，激活總線意味著拉低其電平。單個總線上的設備數(shù)量幾乎是無限的，唯一的要求是總線電容不超過400pF。由于邏輯1取決于電源電壓的大小，因此沒有標準的總線電壓。

I2C總線掛載設備示意圖

I2C時序分析

總線空閑

SDA和SCL兩條信號線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信號線的上拉電阻把電平拉高。

啟動信號START

時鐘信號SCL保持高電平，數(shù)據(jù)信號SDA的電平被拉低。啟動信號必須是跳變信號，而且在建立該信號前必須保證總線處于空閑狀態(tài)。

停止信號STOP

時鐘信號SCL保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使SDA返回高電平，停止信號也必須是跳變信號。

I2C啟動信號START與停止信號STOP

應答信號ACK

發(fā)送器每發(fā)送一個字節(jié)之后，在時鐘的第9個脈沖期間釋放數(shù)據(jù)總線，由接收器發(fā)送一個應答信號ACK（將SDA的電平拉低）來表示數(shù)據(jù)成功接收。

無應答信號NACK

在時鐘的第9個脈沖期間發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)總線，而接收器不拉SDA電平，則表示一個無應答信號NACK，NACK有兩種用途：

（1）一般表示接收器未成功接收數(shù)據(jù)字節(jié)。

（2）當接收器是主機時，它收到最后一個字節(jié)后，應發(fā)送一個NACK信號，以通知從機結束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放總線，以便主機發(fā)送停止信號STOP。

數(shù)據(jù)傳輸

每個時鐘脈沖傳輸1比特數(shù)據(jù)。SDA信號只在SCL處于低電平時變化，SCL處于高電平期間，SDA電平必須保持穩(wěn)定。

I2C數(shù)據(jù)傳輸時SDA與SCL電平變化情況

I2C數(shù)據(jù)傳輸流程

I2C總線協(xié)議

基本工作原理

主設備以啟動信號START來掌管總線，以停止信號STOP來釋放總線。主設備啟動的每一個I2C命令均以START開始，以STOP結束。

啟動信號START后緊接著發(fā)送一個地址字節(jié)，其中7位為被控器件的地址碼，一位為讀/寫控制位R/W。R/W為0表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，R/W為1表示主機從從機讀取數(shù)據(jù)。當從機檢測到收到的地址與自己的地址相同時，在第9個時鐘期間反饋應答信號。每個數(shù)據(jù)字節(jié)在傳送時都是高位（MSB）在前。

I2C基本工作流程

寫數(shù)據(jù)過程

1、主機檢測到總線空閑之后，發(fā)送啟動信號START信號掌管總線。

2、主機發(fā)送一個地址字節(jié)（包括7位地址碼和1位R/W）。

3、當從機檢測到主機發(fā)送的地址與自己的地址相同以后，發(fā)送應答信號（ACK）。

4、主機收到應答信號ACK后，開始發(fā)送第一個數(shù)據(jù)字節(jié)。

5、從機收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送應答信號ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示數(shù)據(jù)傳送結束。

6、主機發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送停止信號STOP，結束通訊并釋放總線。

讀通訊過程

1、主機檢測到總線空閑之后，發(fā)送啟動START信號掌管總線。

2、主機發(fā)送一個地址字節(jié)（包括7位地址碼和1位R/W）。

3、當從機檢測到主機發(fā)送的地址與自己的地址相同以后，發(fā)送應答信號ACK。

4、主機收到應答信號ACK后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)。

5、主機收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送應答信號ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示數(shù)據(jù)傳送結束。

6、主機完成接收以后，發(fā)送停止信號STOP，結束通訊并釋放總線。

同步

每個主機必須生成自己的時鐘信號，只有當時鐘信號電平為低時，數(shù)據(jù)才能改變。執(zhí)行總線仲裁必須有同步時鐘。當某個主機拉低時鐘電平時，時鐘會并保持低電平，直到所有主機均將時鐘拉至高電平。同樣，時鐘會處于高電平狀態(tài)，直到第一個主機將其拉低。這樣，通過觀察SCL信號，主設備可以同步它們的時鐘。

仲裁

對于I2C總線上的正常數(shù)據(jù)傳輸過程而言，只允許一個主機進行控制。如果出于某種原因，兩個主機同時啟動I2C命令，則仲裁過程決定哪個主機獲得控制權并且可以繼續(xù)執(zhí)行命令。仲裁是通過SDA信號執(zhí)行的，此時SCL信號處于高電平。每個主機檢查總線上的SDA信號是否對應于自己生成的SDA信號。如果總線上的SDA信號應該是高電平但它卻處于低電平，那么這個主機就在仲裁過程中失敗。仲裁失敗的I2C主設備可以產(chǎn)生SCL脈沖直到字節(jié)結束，然后必須釋放總線并進入從設備模式。仲裁過程可以持續(xù)到所有數(shù)據(jù)傳輸完畢以后。這意味著在多主機系統(tǒng)中，每個I2C主機必須監(jiān)控I2C總線并執(zhí)行相關操作。

I2C總線典型電路

現(xiàn)在的ARM CPU芯片普遍直接支持I2C總線，直接從CPU中將相應管腳引出，即可以外接I2C功能模塊或者芯片，然后通過軟件進行控制操作。

下圖為一個典型的I2C應用擴展（成都英創(chuàng)ETA202 I2C矩陣鍵盤擴展模塊部分電路），使用TCA8418芯片擴展出8x8矩陣鍵盤。直接將SDA、SCL、鍵盤中斷信號KEY_INT#和復位信號RST#接入芯片，并接上電源和地，即可以控制8x8矩陣鍵盤。

I2C總線在英創(chuàng)主板平臺上的應用

支持I2C接口的芯片都可以直接和英創(chuàng)主板連接，并執(zhí)行相應的功能。歷年來，大量用戶使用英創(chuàng)主板進行I2C應用和數(shù)據(jù)處理，英創(chuàng)也累積了豐富的工程經(jīng)驗。下面整理出了英創(chuàng)網(wǎng)站發(fā)表的相關技術文檔供用戶參考。雖然有一些方案文檔中提到的英創(chuàng)主板是較老的型號，用戶在新產(chǎn)品開發(fā)的時候未必會使用這些老主板產(chǎn)品，但是文中的軟硬件使用技巧、編程技巧和方法等技術細節(jié)，是值得用戶參考或者直接使用的。

使用方法與技巧

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