I2C总线的单片机C语言实现及其应用

1　I2C总线概述 　　
I2C（Intel－Integrated Circuit）总线是荷兰的Philips公司于八十年代初推出的一种芯片间串行总线扩展技术。它用两根线（数据线SDA、时钟线SCL）可完成总线上主机与器件的全双工同步数据传送，可极方便地构成多主机系统和外围器件扩展系统。I2C总线支持所有NMOS、CMOS、TTL等工艺制造的器件，其上所有的节点都连到同名的SDA、SCL上。I2C总方法，数据传送都有相同的操作模式，接口电器特性相同且独立，可在系统供电情况下从系统中移去或增加IC芯片，有I2C接口的外围器件都有应答能力，读写片内单元时有地址自动加1功能，易实现多个字节的自动操作。近年来，国际上有关公司制造了多达几百种的I2C总线器件，如8051系列单片机8XC752、LCD驱动器、RAM、I／O接口等芯片都使用了I2C总线接口。随着数字技术的发展，I2C总线控制系统已经应用于越来越多的电子产品。
2　I2C总线的数据传输
2．1　接口特性　　
I2C总线接口的数据线SDA和时钟线SCL必须经过上拉电阻接到正电源VDD上，各个I2C接口电路输出端必须是漏极开路或集电极开路，以便完成“线与”的功能。I2C的SDA和SCL都是双向传输线，当总线空闲时，此两线都是“1”（高电平）。由于不同的器件都会接到I2C总线，逻辑的“0”（低）及“1”（高）的信号电平取决于VDD的电压。总线上能连接的最大器件数取决于其电容容限400PF。
2．2　I2C总线上的传输时序 　　
I2C总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，在标准模式下可达100 kbit／s，高速模式下可达400kbit／s，总线上依据器件功能不同可建立简单的主／从关系（master／slave），只有带CPU的器件才可成主控器。图1为I2C总线一次完整的数据传输。SCL为高期间，SDA状态必须稳定，SCL为低时才允许SDA状态变化。SCL保持高电平期间，SDA出现由高至低的转换将启动I2C总线，出现由低至高的转换将停止数据传输。起始和终止信号通常由主控器产生。I2C总线的信号时序有严格规定，本应用采用标准模式，SCL低电平周期≥4．7μs，SCL高电平周期≥4．0μs，START和STOP之间的总线空闲时间≥4．7μs。 　　
I2C 总线上传送的每个字节必须为8位，启动和停止之间可传输的数据字节数不受限制。采用串行传送，首先传送最高位，每传送一个字节后必须跟一个应答位。主控器产生应答所需的时钟脉冲期间，发送器必须释放数据线（SDA为高），以便接收器输出应答位。低电平为应答信号，高电平为非应答信号。非应答信号是当主控器作为接收器时，收到最后一个字节数据后，必须发送一个非应答信号给被控发送器，使被控发送器释放数据线，以便主控器发停止信号，终止数据传送。当从器件不能再接收字节时也会出现非应答 信号这种情况。 　　
I2C总线上的器件一般有两个地址：受控地址和通用广播访问地址，每个器件有唯一的受控地址用于定点通信，而相同的通用广播访问地址则用于主控方同时对所有器件进行访问。如图1所示，起始信号后主控器发送的第一个字节就是被读器件的受控地址，称作寻址字节。寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成，方向位为“0”表明主控器对被控器的写操作（W），方向位为 “1”表明对被控器的读操作（R）。总线上每个器件在起始信号后都把自己的地址与寻址字节的前7位相比较，如相同则器件被选中，产生应答，并根据读写位决定在数据传送中是接收还是发送。无论是主发、主收还是从发、从收，都是由主器件控制，数据传送完后，主控器都必须发停止信号。
3　I2C总线的C51语言实现 　　
C51语言是针对Intel的8位单片机MCS－51系列而开发的、具有一般C语言特点的高级编程语言。从1985年至今，有许多公司推出 51系列的C语言编译器，其中以Franklin C51编译器在代码生成方面较为领先，它可生成最少的代码，支持浮点和长整数、重入和递归。头文件reg51．h中包含了51单片机的特殊功能寄存器（SFR）的字节定义与位定义。为了与具有I2C总线接口的51单片机兼容，可在程序开始处定义单片机的P1．6和P1．7作为I2C总线的SCL和SDA信号，实际中也可用其它的I／O引脚作为SCL和SDA信号。C51语言中只要用赋值语句”＝”就可实现I／O口某位的数据输出和读入。现将I2C总线底层读写函数接口及功能列举如下，它可用于没有内部I2C接口的51系列单片机与I2C总线器件通信。 ＃include＜reg51．h＞ ／＊全局符号定义＊／ ＃define HIGH1 ＃define LOW 0 ＃define FALSE0 ＃define TRUE1 ＃define time 1 ＃define uchar unsigned char　　 ＃define uint unsigned int sbit SCL＝P1＾6； sbie SDA＝P1＾7； 1）函数原型：void delay（uchar nu m）　 功　　能：用for（）循环提供延时。在实际应用中可依具体情况改变传入参数，但必须满足I2C总线时序中对SCL高、低电平周期的要求，本应用中取1，调用形式为delay（time）。 2）函数原型：void start（void）　 功　　能：提供I2C总线工作时序中的起始位，在SCL＝HIGH期间，SDA出现由高到底的转变，返回前将SCL拉低，允许数据变化，准备传输。其中调用函数1。 3）函数原型：void stop（void）　 功　　能：函数提供I2C总线工作时序中的起始位，在SCL＝HIGH期间，SDA出现由低到高的转变。其中调用函数1。 4）函数原型：void sendbyte（uchar b，uchar＊error）　 　 功　　能：在时钟作用下，将入口参数b中8位数据由高至低通过SDA线发送，并读回应答信号，存于指针变量＊error中。其中调用函数1、2、3。 5）函数原型：void readbyte（uchar＊b，bit Ack）　 功　　能：函数在时钟作用下接收8位数据，存于＊b中，先接收的为高位，并发送应答信号（Ack＝0），当接收到最后一字节时发送非应答（Ack＝1）。其中调用函数1、2、3。 6）函数原型：void send－n－byte（uchar＊info，uint n，uchar address，uchar＊fault）　 功　　能：向I2C器件连续发送n个数据字节，数据存于数组info［］中，address为器件受控地址，末位为0（写），n个数据的地址可作为数据字节发送，或设置地址自动加减功能。＊fault存收到的应答位。其中调用函数1－4。 7）函数原型：void receive＿n＿byte（uchar＊info，uint n，uchar address，uchar＊fault）　 功　　能：从I2 C器件连续接收n个字节的数据，存于数组info［］中，address为器件地址，本函数保证器件地址末位是1（读），n个数据的器件内地址可作为数据字节发送，或设置地址自动加减功能。收最后一字节时发非应答信号1。＊fault存收到的应答位。其中调用函数1－5。 　　以下仅以sendbyte（）函数原型为例说明C51如何具体实现I2C总线的发送： void sendbyte（uchar b，uchar＊error） ｛int count； bit data＿bit； ＊error＝0； for（count＝7；count＞＝0；count－－） ｛data＿bit＝（bit）（b＆0x80）； b＝b＜＜1； ／＊送数据位，产生时钟脉冲＊／ SDA＝data＿bit； SCL＝LOW；delay（time）； SCL＝HIGH；delay（time）； SCL＝LOW；delay（time）； ｝ ／＊释放数据线，产生时钟脉冲，读回应答＊／SDA＝HIGH；SCL＝LOW；delay（time）； SCL＝HIGH；delay（time）； ＊error＝（uchar）SDA； ／＊释放数据线，时钟置低＊／ SDA＝HIGH； SCL＝LOW；delay（time）；｝
4　I2C总线用于HDTV数字地面接收机 　　
数字高清晰度电视HDTV（High Definition Televi－sion）是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视系统，与目前市场上的电视相比，其水平和垂直两个方向的图像质量（分辨率）提高一倍以上，在使用大屏幕显示器或近距离观看时其图像细腻逼真，无闪烁感和粗糙感，质量与35mm电影相当，再配以数字环绕音响，使收视效果大幅度提高。HDTV 节目全部采用数字方式制作、发送和接收，使图像质量接近演播室。同时，数字电视系统还能够提供多种业务，实现交互、数据广播和计算机联网等功能。美国于 1998年11月率先正式开播数字HDTV信号。我国从1996年启动国家重大产业工程项目HDTV功能样机系统研究开发工程，已成功在50周年国庆时进行了数字电视试播。 　　
本HDTV数字地面接收系统以欧洲的DVB－T （Digital Video Broadcasting Terrestrial）为标准，完成信道解调解码，输出标准的MPEG－2码流，由于采用了COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multi－plexing）编码正交频分复用技术，能有效对抗多经传播和同频干扰。本接收机的主要特点是采用带有I2C总线接口的L64系列芯片，AT89C52通过I2C总线完成对L64芯片内寄存器的读写操作和监控，与PC配合实现基于参数配置、模式转换、状态读取的调试功能。结构简单，调试方便。信道解调解码的硬件基本组成如图2（未画出上拉电阻）。
5　结束语
随着广播电视技术迅速走向数字时代，HDTV在今后五年逐步在世界范围走向市场成为可能。I2C总线技术应用于HDTV数字地面接收机中，用8位单片机对接收机的状态进行控制，不仅减少了总线数量，提高了可靠性，而且还较大降低了成本。在实际使用时，可加上键盘、显示电路及相应程序，或用PC通过RS232口与单片机通信，进行调试。本应用已用于我国HDTV功能样机系统研究开发工程。 由衷地感谢导师葛建华教授的指导和帮助。