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I2C 总线接口逻辑剖析

I2C总线是具备多CPU系统所需的包括仲裁和高低速设备同步等功能的高性能串行总线。它以两根连线实现完善的全双工数据传送,是各种总线中使用信号线根数最少,并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能的总线

1 前语

I2C总线|0″>I2C总线是具有多CPU体系所需的包含裁定和高低速设备同步等功用的高性能串行总线。它以两根连线完结完善的全双工数据传送,是各种总线中运用信号线根数最少,并具有主动寻址、多主机时钟同步和裁定等功用的总线。

现在世界上选用的I2C总线有两种规范,它们别离是由荷兰飞利浦公司和日本索尼公司提出的。现在广泛选用的是飞利浦公司的I2C总线技能规范,它已成为被电子职业认可的总线规范。

因为I2C总线具有规范的规范及很多带I2C接口的外围器材,使得运用I2C总线规划计算机体系变得非常便利、灵敏,体积也小,因而在各类实践运用中得到广泛运用。

2 I2C总线的根本原理

2.1 I2C总线根本结构

I2C总线体系结构灵敏,易于模块化、规范化规划。I2C总线只要两根信号线,一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。一切进入I2C总线体系中的器材都带有I2C总线接口,契合I2C总线电气规范的特性;并且选用纯软件寻址办法,无需器材片选线的衔接。CPU不仅能经过指令将某个功用器材挂靠或摘离总线,还可对其作业状况进行检测,然后完结对硬件体系即简略又灵敏的扩展与操控。各器材供电可不同,但需共地。别的,SDASCL需别离接上拉电阻。

SDASCL都是双向的,输出电路用于向总线上发送数据,输入电路用于接纳总线上的数据。当总线空闲时,两根线都是高电平。衔接总线的器材的输出端电路有必要是集电极开路输出或开漏输出,以具有线“与”功用。I2C总线的数据传送速率在规范形式下可达100kbit/s,快速形式下可达400kbit/s,高速形式下则可达3.4Mbit/s。

I2C总线接口电路结构如图1所示。

2.2 I2C总线数据传送

I2C总线数据传输时有必要遵从规则的数据传送格局,如图2所示为一次完好的数据传送格局。发动信号标明一次传送的开端,这以后为寻址字节,该寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成:方向位为“0”标明写操作,“1”标明读操作;在寻址字节后是由方向位指定读、写操作的数据字节与应对位;在数据传送完结后为中止信号。在“发动”与“中止”之间传送的数据字节数从理论上来说没有约束,但每个字节有必要为8位,并且每个传送的字节后边有必要跟一个应对位。

当SCL为高电平时,SDA由高电平跳变为低电平,界说为发动信号;当SCL为低电平时,SDA由低电平跳变为高电平,界说为中止信号。

在SCL为高电平时,SDA上数据需坚持稳定方被以为有用;只要在SCL为低电平时,才答应SDA电平状况改动。

2.3时钟信号的同步

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的一切器材的逻辑“与”完结的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器材,一旦某个器材的时钟信号下跳为低电平,将使SCL线一向坚持低电平,使SCL线上的一切器材开端低电平期。此刻,低电平周期短的器材的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状况,所以这些器材将进入高电平等候的状况。当一切器材的时钟信号都上跳为高电平时,低电平期完毕,SCL线被开释回来高电平,即一切的器材都一起开端它们的高电平期。这以后,第一个完毕高电平期的器材又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见,时钟低电平时刻由时钟低电平期最长的器材确认,而时钟高电平时刻由时钟高电平期最短的器材确认。

2.4 总线竞赛的裁定

总线上或许挂接有多个器材,有时会产生两个或多个主器材一起想占用总线的状况,这种状况叫做总线竞赛。I2C总线具有多主控才能,可以对产生在SDA线上的总线竞赛进行裁定,其裁定原则是这样的:当多个主器材一起想占用总线时,假如某个主器材发送高电平,而另一个主器材发送低电平,则发送电平与此刻SDA总线电平不符的那个器材将主动封闭其输出级。总线竞赛的裁定是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较,假如主器材寻址同一个从器材,则进入数据位的比较,然后保证了竞赛裁定的可靠性。因为是使用I2C总线上的信息进行裁定,因而不会形成信息的丢掉。

3 I2C总线接口逻辑的构成

3.1 I2C总线接口电路的结构

I2C总线接口逻辑框图如图5所示。

在电路规划中,各功用块的硬件完结介绍如下。

发动、中止检测电路运用两个D触发器来别离呼应SDA在SCL为高电平时的电平跳变。

移位寄存器电路由9个D触发器串联成9级移位寄存器,包含8位字节和1位应对位,完结SDA上数据的串并行转化。寄存器复位值为“111111110”,接纳8位字节后为“0D7D6D5D4D3D2D1D0”,即应对位为“0”,在第9个时钟时输出低电平作为应对信号。

可编程地址产生器电路生成器材地址,7位器材地址由器材编号地址(高4位)和引脚地址(低3位)组成。经过改动器材引脚的衔接方法,就可改动器材地址,因而使运用便利灵敏。

地址比较器电路由门电路组成布尔代数式逻辑,对寻址字节进行判别。若地址正确则将RS触发器置“1”,使能译码器输出。

3.2 I2C总线接口作业流程

I2C总线接口作业流程如图6所示。

3.3 Verilog仿真程序

  

4 完毕语

现在选用I2C技能的单片机以及外围器材已广泛运用于家用电器、通讯设备及各类电子产品中,并且运用规模将会越来越广。

本文简略介绍了I2C总线接口电路,期望对相关从业人员有所协助。

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