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通俗易懂的I2C协议

时间:2022-07-23 12:55来源:www.ictest8.com 作者:ictest8 点击:

I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。
I2C通讯协议因其引脚少,硬件实现简单,可扩展性强,不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备等优点,被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
我们测试工程师也经常遇到带有I2C接口的芯片,此类芯片的测试必须要了解I2C协议才能更好的完成测试,接下来我们详细了解一下I2C的相关知识

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I2C由两根信号线完成信息交换,SCL为时钟信号线,SDA为数据输入/输出线。
I2C可支持多从机(Slaver),也可支持多主机模式(Master)。大部分I2C设备支持100kHz和400kHz模式,某些特殊应用也可以通过设计支持到3.4MHz。

I2C的简单应用主要包括I2C硬件连接I2C通信协议两方面的内容,本文以常见的通信方式做简单说明。

I2C硬件连接

如下图所示,在一个I2C通讯总线中,可连接多个I2C通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。

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  • SDA, SCL管脚及上拉电阻

  • 设备的SDA, SCL管脚采用OD门输出,不同设备间进行线与操作,即“与逻辑”。

  • SDA和SCL需要外接上拉电阻,根据总线上的I2C设备数量,系统的通信速度,设计选择不同的上拉电阻。I2C设备数量决定了总线上母线电容的大小,母线电容和上拉电阻限制了系统的通信速率。

  • 通常情况下,3.3V系统上拉电阻取3.3kΩ,5V系统上拉电阻取4.7kΩ。

  • 当I2C设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。

多主机和多从机应用
  • 每个连接到总线的从机设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

  • 多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,可以利用仲裁方式决定由哪个主机设备占用总线。

I2C通信协议

下图以一个主机(Master)给从机(Slaver)写一个字节的数据为例,说明I2C通信的基本协议。

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  • 起始信号( S ):当SCL是高电平时,SDA从高电平向低电平切换。

  • 停止信号( P ):当SCL是高电平时,SDA由低电平向高电平切换。

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  • 帧地址:每个从属设备唯一的7位或10位地址,用于主从设备之间的地址识别。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位,实际中7位的地址应用比较广泛。

  • 读/写位:一位,如果主机是向从机发送数据则为低电平,请求数据则为高电平。

  • ACK/NACK:I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。ACK为低电平,NACK为高电平。

  • 数据有效:数据传输时,SCL为高电平时,SDA的数据有效,即此时的SDA为高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”;当SCL为低电平时,SDA的数据无效,一般在此时,对SDA进行电平切换。

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