7.1.1 I2C总线简介
1．I2C总线的基本结构
I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成，每条线都通过上拉电阻接向正电源，所有采用I2C接口标准的器件均并行挂接在总线上，如图7-1所示。
I2C总线通常采用主从工作方式，整个系统中只有一个主控器件（单片机），其它器件都是具有I2C总线接口的外围从器件。每个I2C器件都具有唯一的地址，单片机作为主控器件，可以按器件地址访问每个器件，还可以按器件单元地址访问每个器件中的每个指定的存储单元。
图7-1 I2C总线系统硬件结构框图
由于I2C总线上各器件均采用漏极开路结构与总线连接，因此上拉电阻是不可缺少的。I2C总线的传输速率主要有100kHz与400kHz两种，采用100kHz速率时，上拉电阻一般为10kΩ，采用400kHz速率时，上拉电阻一般为2 kΩ。
当I2C总线上没有信息传送时，数据线SDA和时钟线SCL都为高电平，因此总线在空闲状态保持高电平。连接到总线上的任一器件输出低电平，都会将总线拉向低电平，这种连接方式称为“线与”。
I2C总线协议规定，将数据传送到总线的器件作为发送器，从总线接收数据的器件为接收器，主控器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但串行时钟、启动信号和停止信号是由主控器件产生的，数据发送或接收的模式也是由主控器件规定的。
2．I2C总线的主要特点
（1）简单
（2）通信方便
7.1.2 I2C总线的信息传送
当I2C总线上的主控器件与某个从器件进行一次数据传输时，典型的时序过程如图7-1所示，通常需要经过下述步骤：
图7-1 I2C总线时序
1．发送启动信号
在I2C总线上执行一次数据传输时，必须首先由主控器件发出启动信号。I2C总线的协议规定，在SCL高电平期间，SDA的下降沿作为启动信号。在启动信号发出之后，总线就处于被占用的状态。具有I2C总线接口的所有从器件检测到启动信号之后，就开始时刻监测总线状态，做好响应的准备。
2．发送器件地址
主控器件发送启动信号之后，紧接着发出1字节的器件地址，用来确定I2C总线上的哪个从器件作为通信对象。
器件地址码由一个字节构成，其结构如表7-1所示。高4位为器件类型识别码，用来说明这是哪种类型的器件（例如E2PROM的类型识别码为1010）；后面的3位为片选码，用来说明同一类型器件中的哪一个；最低位R/W实际上不是地址，而是方向位，用来设置主控器件与从器件的数据传送方向。R/W=0，表明主控器件对从器件执行写操作；R/W=1，表明主控器件对从器件执行读操作。
表7-1 I2C器件地址码结构
|
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
|
器件类型码 |
片选 |
R/W |
|||||
从器件收到启动信号以后，就时刻监测着总线状态，如果接收到与自身相匹配的器件地址，就产生一个应答信号，发送到总线上。
3．应答信号
I2C总线协议规定，每成功地传送一个字节数据（含地址及命令字）之后，接收器件都必须产生一个应答信号，接收器件在第9个时钟周期将SDA拉为低电平，表示传输的数据字节已正确接收。
接收器件收到一个完整的数据字节后，如果忙于处理内部中断等事务，无法立刻接收下一字节，可以将SCL线拉向低电平，从而使主控器件处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一字节时，才释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。
4．数据传输
主控器件向I2C总线发送器件地址并得到从器件应答后，便伴随着时钟脉冲，开始一位一位的数据传输，每个字节均按高位在前、低位在后的顺序进行传送。在一次数据传输的过程中允许传送的数据字节数没有限制，但每传输一个字节之后，都必须在得到应答信号后才能进行下一个字节的传送。
根据I2C协议的规定，仅当总线空闲时才允许启动数据传输。在进行数据传输时，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，不允许有跳变现象，如图7-2所示（如有跳变，则可能被误认为是启动或停止信号）。只有在时钟信号为低电平期间，数据线上的状态才允许变化。
图7-2 I2C总线数据传输期间的有效性规定
5．非应答信号
当主控器件为接收器件时，主控器件对接收到的最后一个字节不应答，以向发送数据的从器件表示数据传送结束。从器件收到非应答信号后，必须使数据线保持高电位，以便主控器件产生停止信号。
6．发送停止信号
当全部数据传送完毕以后，主控器件发送停止信号，释放总线控制权。I2C总线的协议规定，在SCL高电平期间，SDA的上升沿作为停止信号。在停止信号发出之后，总线就处于空闲状态。总线上的所有从器件接收到停止信号之后，均使输出保持高电平。
7.1.3 I2C总线时序的编程实现
目前，已有许多较新型号的单片机产品具备了I2C总线接口功能，例如Philips公司的LPC93X、Atmel公司的ATMEGA48、TI公司的MSP430等。这类单片机工作时，I2C总线状态由硬件监测，不需要用户介入，编程应用非常方便。
传统的51系列单片机不具备I2C总线接口，但在单主机应用系统中可以通过软件方法来模拟I2C总线的工作时序，实现对I2C器件的控制。
下面逐一介绍模拟I2C总线基本时序的各个子程序。
1．I2C启动信号的软件模拟
在I2C总线上执行一次数据传输时，首先必须由主机发出启动信号。根据I2C总线的时序规则，在SCL高电平期间，SDA的下降沿作为启动信号，如图7-1所示。具有I2C总线接口的从器件接收到启动信号后，就会做出响应。
在51系列单片机上产生I2C启动信号的程序代码如下：
void I2C_start()
{
SDA = 1; // SDA高电平，为产生下降沿做准备
delay();
SCL = 1; // SCL高电平
delay(); // 延时>4.7μs
SDA = 0; // 在SCL高电平期间的SDA下降沿作为启动信号
delay(); // 延时>4μs
SCL = 0; // SCL低电平
delay();
}
图7-1 I2C启动信号 图7-2 I2C停止信号
2．I2C停止信号的软件模拟
在I2C总线上执行完数据传输之后，应该由主机发出停止信号。根据I2C总线的时序规则，在SCL高电平期间，SDA的上升沿作为停止信号，如图7-2所示。具有I2C总线接口的从器件接收到停止信号后，就会做出响应。
在51系列单片机上产生I2C停止信号的程序代码如下：
void I2C_stop()
{
SCL=0;
delay();
SDA = 0; // SDA低电平，为产生上升沿做准备
delay();
SCL = 1; // SCL高电平
delay(); // 延时>4μs
SDA = 1; // SDA上升沿，作为停止信号
delay(); // 延时>4.7μs
}
3．I2C应答信号的软件模拟
在I2C总线上传输一个数据字节后，接收器件应该发送一个应答信号，表示数据已正确接收。在SCL高电平期间，接收器件将SDA拉为低电平，即为应答信号，如图7-3所示。
当51系列单片机作为接收器件时，可以利用下述程序代码产生I2C应答信号：
void I2C_acknowledge()
{
SDA=0; // SDA低电平，作为应答信号
delay();
SCL=1; // SCL从低到高
delay(); // 延时>4.7μs
SCL=0; // SCL高电平保持一段时间，然后恢复为0
delay();
SDA=1; // SDA恢复高电平，I2C总线处于空闲状态
delay()
}
图7-3 I2C应答信号 图7-4 I2C非应答信号
4．I2C非应答信号的软件模拟
当51系列单片机作为接收器件时，在接收到一个数据字节之后，向I2C总线发送一个非应答信号，则表示结束数据传输。在SCL高电平期间，保持SDA为高电平，即为非应答信号。
在51系列单片机上产生I2C非应答信号的程序代码如下：
void I2C_notacknowledge()
{
SDA=1; // SDA保持高电平，作为非应答信号
delay();
SCL=1; // SCL从低到高
delay(); // 延时>4.7μs
SCL=0; //
delay();
SDA=0;
}
5．I2C应答信号检验的软件模拟
当51系列单片机作为发送器件时，每发送一个数据字节之后，必须在下一个时钟周期等待接收器件回送到I2C总线上的应答信号，只有在获得应答信号之后，才能继续执行后面的操作。如果在SCL高电平期间检验SDA为0，则说明有应答信号，否则认为无应答信号。
在51系列单片机上检验I2C应答信号的程序代码如下：
bit I2C_check_acknowledge() // 返回值为1说明有应答，为0说明无应答
{
bit i;
SDA=1; // 单片机I/O端口特性要求读SDA端口前必须写1
delay();
SCL=1; // SCL高电平
delay(); // SCL高电平持续时间约5μs
if(SDA==1) // 判断是否接收到从器件发回的应答信号
i=0; // 若i=0，说明无应答信号
else
i=1; // 若i=1，说明有应答信号
SCL=0;
delay();
return i; // 返回检验结果值
}
上述程序的返回值为bit类型，如果主控器件收到了应答信号，检验应答信号的返回结果为“1”，否则返回值为“0”。
6．单片机向I2C总线发送1个字节数据
单片机向I2C总线上发送1个数据字节时，必须遵守I2C协议的规定，按照从高位到低位的顺序，依次将数据字节中的8个二进制位发送到总线。
当调用下述程序时，把准备发送的数据传递给参数data，程序中的语句temp=temp<<1; 用来把当前最高位左移入PSW寄存器中的CY位，然后在SCL低电平期间，把CY位内容发送到I2C总线。
void I2C_writebyte(unsigned char databyte)
{
unsigned char i, temp;
temp = databyte;
for(i=0; i<8; i++)
{
temp = temp<<1; // 把当前最高位左移入PSW寄存器的CY位
SCL = 0; // SCL低电平，允许SDA变化
delay();
SDA=CY; // 把CY位内容发送到I2C总线
delay();
SCL=1; // SCL高电平，结束一位数据的发送
delay();
}
SCL=0; // SCL低电平，允许SDA变化
delay();
SDA = 1; // SDA高电平，表示1字节数据发送结束
delay();
}
7．单片机从I2C总线读取1个数据字节
单片机从I2C总线上读取1个数据字节时，必须在读之前先向SDA端口写“1”（这是单片机端口特性决定的），然后在每个SCL周期高电平期间读取SDA线上串行传送的二进制数位，并把用来保存读取内容的临时变量temp左移一位，再与SDA进行“或”运算，把当前读取的数据位保存到temp当中。当8位数据全部读完以后，将temp中保存的内容返回到调用程序。
unsigned char I2C_readbyte( )
{
unsigned char i, temp;
SCL = 0;
delay();
SDA = 1; // 读端口之前，必须先向该端口输出“1”
for(i=0; i<8; i++)
{
SCL=1; // SCL高电平
delay();
temp=(temp<<1) | SDA; // 把读取的SDA“或”到temp的当前最低位上
SCL=0;
delay();
}
delay(); // 多等待一点时间
return(temp); // 返回读取的数据字节
}