简单介绍一下什么是I2C总线的引脚功能和时序

I²C(Inter-Integrated Circuit)总线是Philips公司推出的一种双向二线制同步串行总线，仅用两根线即可实现器件之间的数据传送。目前很多芯片集成了I²C总线接口，如CYGNAL公司的C805IF0XX系列单片机、实时日历时钟芯片PCF8563及数字温度传感器LM75等。

I²C总线的引脚功能和时序

1.I²C总线的引脚功能

如图6-7所示，I²C总线通过两根线将多个芯片(包括MCU)连接在一起，其中，SDA和SCL都是双向传输线，分别用于传输数据和时钟信号。这两个引脚必须经过上拉电阻与正电源相接，如图6-8所示。另外，在总线空闲时，SDA和SCL都是高电平。

图6-7 I²C总线接口扩展示意图

图6-8 I²C总线接口电气结构图

需要注意，在图6-7中并没有指出从机或主机，这是因为I2C是一种多主机的总线，可以有多个主机，且主从关系可以根据任务要求而更改。当有个多个主机时，I²C总线可以通过内部的竞争检测和仲裁电路进行仲裁处理，以保证数据正确传输。另外，主机是产生时钟信号并初始化数据传输的器件，只有带CPU的器件才能成为主机。每个器件都有一个唯一的地址编号，被主机通过地址编号寻址访问的器件是从机。

2.I²C总线的引脚时序

I²C总线的数据传输过程由主机控制。在该过程中，主机的操作可以分为以下几个步骤：①发送启动信号;②传输从机地址，并确认数据传输方向(主机输出从机输入，或主机输入从机输出);③与从机之间进行数据传输(发送或读取);④发送停止信号。I2C总线信号的时序由主机产生和控制，下面分别进行介绍。

(1)启动信号和停止信号的时序

启动信号和停止信号分别用于确定数据传输的开始和结束。如图6-9所示，当SCL为高电平时，若SDA引脚出现下降沿，则产生启动信号;反之，当SCL为高电平，而SDA引脚出现上升沿时，则产生停止信号。

图6-9启动信号与停止信号的引脚时序

a)启动信号b)停止信号

(2)数据传送时序

数据传送过程中，如图6-10所示，当SCL为高电平时，SDA引脚上的信号是被传送的数据位(低电平为“0”，高电平为“1”)，必须保持稳定;若要更改被传送的数据位，则必须先令SCL为低电平。可见，I²C总线仅在SCL为高电平时传送数据。

图6-10数据传输过程中的引脚时序

(3)响应信号时序

I²C总线以字节为单位传送数据和地址。传送时高位在前、低位在后。每发送完一个字节后，发送方都要求接收方返回一个响应信号。响应信号有两种，分别是应答信号ACK和非应答信号ACK，其时序如图6-11所示，下面分析该时序。

图6-11响应信号的引脚时序

a)应答信号ACK b)非应答信号ACK

1)若主机为发送方，则发送完一个字节后，需要从机进行应答。此时，主机在SCL引脚产生一个时钟脉冲(高电平)，并将SDA引脚设置为高电平(即释放对总线的控制)。接收方若需继续接收下一个数据，则主动将SDA引脚设置为低电平。即产生如图6-11a所示的ACK信号。主机检测到ACK信号后将继续发送下一个数据。若接收方不需要接收下一个数据，则不更改SDA引脚状态，使其保持高电平。即产生如图6-11b所示的ACK信号。主机检测到ACK信号后，将产生如图6-9b所示的停止信号，并结束发送。

2)若主机为接收方，则接收完一个字节数据后，主动产生一个应答信号。如果主机希望接收新数据，则该应答信号为ACK信号。检测到ACK信号的从机将发送下一个数据。如果主机不需要接收新数据，则应答信号为ACK信号。从机检测到ACK信号后，将停止发送、释放SDA线(即使其为高电平)。之后，主机可以发送停止信号，结束本次数据传输。

3.I²C总线的数据帧格式

如前所述，I²C总线传输数据之前除了发送启动信号外，还要发送从机地址，并确认数据传输方向。具体方法是，主机发送启动信号后，接着再向从机发送一个字节数据。如图6-12所示，该数据的高7位是从机的地址;最低位(第0位)R W代表数据的传输方向，0表示主机是发送方(向从机写数据)，1表示主机是接收方(读从机的数据)。

没有I²C总线接口的单片机，如MCS-51单片机等，可以利用自身的并行I/O引脚模拟产生I2C总线时序，以实现对I²C总线接口器件的扩展。例如，在图6-13中，8051单片机用P1.0和P1.1模拟I²C总线的SDA和SCL引脚。

图6-12 I²C总线的从机地址格式

图6-13引脚模拟I²C总线