I2C总线基础知识

I2C总线基础知识1.口线电平1.1口线电平输出方式在I2C总线中有2个口线：SDA和SCL，这两个口线均为OC输出。OC就是开漏输出(OpenCollector)的简称，有时候也叫OD输出（Open-Drain），OD是对MOS管而言，OC是对双极型管而言，在用法上没什么区别。相对于OC输出，另一种输出叫推挽输出(Push-Pull)，一般的MCU管脚输出可以设置这两种模式。这里分别介绍下这两种输出模式的不同点。推挽输出:可以输出高、低电平连接数字器件，推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。开漏输出:输出端相当于三极管的集电极未接任何电平，要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)。对于MCU的开发者来讲，简单的这样理解就可以了。如果管脚设置成推挽输出模式，输出高时，IO口相当于VCC,输出低时IO口相当于接地。如果管脚设置成开漏输出模式，输出高时，IO口的电平会和与其相连的口线进行与操作，如果都为高，才会被上拉成高电平，输出为低时，也相当于接地。1.2口线设置I2C总线要实现线与的功能，所以SDA和SCL口线都必须设置为开漏输出模式。我们使用MCU的硬件I2C接口时，口线会被自动设置成开漏。但有时候我们会使用IO口来模拟I2C总线，这个时候设置口线要分两种情况：（1）MCU的口线支持开漏输出模式：可以直接把SDA和SCL设置成开漏输出。例如Silicon的C8051系列MCU，它的口线就支持开漏和推挽输出。（2）MCU的口线不支持开漏输出（例如MSP430）：在网上我们看到很多的例程代码都是直接设置IO口的高低电平，这样做其实是不太合理的。因为我们只满足了I2C总线在自己这端的时序要求，而没有考虑到连接在总线上的其他器件，如果总线上其他器件的电平和MCU输出的电平一致，这样做是没问题的，如果两边的电平不一致时，这样做就有一定风险造成IO的损坏。当你输出高时，相当于IO口连接到VCC，如果对方这是恰好输出的是低电平，那就相当于短路了。当然如果软件做的合理，是可以避免这样的事情的，但总线上的很多器件都不是由我们控制的，这时候最合理的做法是，当设置口线电平为高时，把口线设置成输入状态，然后利用口线上的上拉电阻来把口线拉高。这样即使是两边电平不一致时，也不会造成IO口的损坏。2.总线口线I2C是由SDA、SCL两个口线组成的。这两个口线的高低电平组合、上升下降边沿组合就形成了总线的各种时序。图2.1是I2C总线的各种时序组合：图2.1I2C电平组合上图中灰色部分不是I2C总线关心的，9,10分别被定义为I2C的START和STOP信号。I2C数据总线SDA是在时钟为高时有效，在时钟SCL为高期间，SDA如果发生了电平变化就会终止或重启I2C总线，所以我们在数据传输过程中，要在SCL为低的时候去更改SDA的电平。3.I2C总线的时序在上一节中讲到了由SDA和SCL能形成的各种电平组合，那么这一节我们讲一下这些组合在I2C总线上的应用，下面我们一步一步的来分析I2C总线的逻辑时序。首先是I2C的START信号。START信号是在SCL为高电平时，SDA从高电平变成低电平。图3.1为START信号的时序图。图3.1START信号这样的设计和I2C的多主性能有一定关系。因为I2C的总线是开漏输出的，总线接上拉电阻后，SCL和SDA就变成了高电平，这个时候挂接在总线上的任意一个I2C主机口可以把SDA拉高，即产生了一个START信号，挂接在总线上的其他I2C主机检测到这个信号后就不能去操作I2C总线了，否则会发生冲突。直到检测到一个STOP信号为止。然后讲一下I2C的STOP信号。STOP的信号是在SCL口线为高时，SDA产生一个上升沿。图3.2为STOP信号的时序图。STOP信号之后，I2C总线恢复到初始状态。图3.2STOP信号下面我们以MSP430为例，讲一下这两个时序在软件中实现的代码。首先，我们需要把SDA和SCL的口线都设置成输入模式，当口线设置成输入模式时，PXOUT寄存器的值是用来设置口线是上拉还是下拉，这里PXOUT需要设置成上拉，因为如果设置成下拉的话，一般I2C的总线会接2个上拉电阻，就相当于总线上是图3.3的等效电路。图3.3等效电路当我们设置口线为输入时，口线的高电平就不会是VCC，而是一个分压后的电平。