I2C总线的通信过程(见图4-8)主要包含三个主要阶段:起始阶段、数据传输阶段和终止阶段。
1. 起始阶段
在I2C总线不工作的情况下,SDA(数据线)和SCL(时钟线)上的信号均为高电平。如果此时主机需要发起新的通信请求,那么需要首先通过SDA和SCL发出起始标志。当SCL为高电平时,SDA电平从高变低,这一变化表示完成了通信的起始条件。
在起始条件和数据通信之间,通常会有延时要求,具体的指标会在设备厂商的规格说明书中给出。
2. 数据传输阶段
I2C总线的数据通信是以字节(8位)作为基本单位在SDA上进行串行传输的。一个字节的传输需要9个时钟周期。其中,字节中每一位的传输都需要一个时钟周期,当新的SCL到来时,SCL为低电平,此时数据发送方根据当前传输的数据位控制SDA的电平信号。如果传输的数据位为"1",就将SDA电平拉高;如果传输的数据位为"0",就将SDA的电平拉低。当SDA上的数据准备好之后,SCL由低变高,此时数据接收方将会在下一次SCL信号变低之前完成数据的接收。当8位数据发送完成后,数据接收方需要一个时钟周期以使用SDA发送ACK信号,表明数据是否接收成功。当ACK信号为"0"时,说明接收成功;为"1"时,说明接收失败。每个字节的传输都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。
I2C总线协议中规定,数据通信的第一个字节必须由主机发出,内容为此次通信的目标设备地址和数据通信的方向(读/写)。在这个字节中,第1~7位为目标设备地址,第0位为通信方向,当第0位为"1"时表示读,即后续的数据由目标设备发出主机进行接收;当第0位为"0"时表示写,即后续的数据由主机发出目标设备进行接收。在数据通信过程中,总是由数据接收方发出ACK信号。
3. 终止阶段
当主机完成数据通信,并终止本次传输时会发出终止信号。当SCL 是高电平时,SDA电平由低变高,这个变化意味着传输终止。
下面给出了模拟I2C总线进行读写的伪代码,用以说明如何使用GPIO实现I2C通信:
#define SDA 254 //定义SDA所对应的GPIO接口编号
#define SCL 255 //定义SCL所对应的GPIO接口编号
#define OUTP 1 //表示GPIO接口方向为输出
#define INP 0 //表示GPIO接口方向为输入
/* I2C起始条件 */
int i2c_start()
{
//初始化GPIO口
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
set_gpio_direction (SCL, OUTP); //设置SCL方向为输出
set_gpio_value(SDA, ); //设置SDA为高电平
set_gpio_value(SCL, ); //设置SCL为高电平
delay(); //延时
//起始条件
set_gpio_value(SDA, ); //SCL为高电平时,SDA由高变低
delay();
}
/* I2C终止条件 */
void i2c_stop()
{
set_gpio_value(SCL, );
set_gpio_direction(SDA, OUTP);
set_gpio_value(SDA, );
delay();
set_gpio_value(SDA, ); //SCL高电平时,SDA由低变高
}
/*
I2C读取ACK信号(写数据时使用)
返回值 :0表示ACK信号有效;非0表示ACK信号无效
*/
unsigned char i2c_read_ack()
{
unsigned char r;
set_gpio_direction(SDA, INP); //设置SDA方向为输入
set_gpio_value(SCL,); // SCL变低
r = get_gpio_value(SDA); //读取ACK信号
delay();
set_gpio_value(SCL,); // SCL变高
delay();
return r;
}
/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */
int i2c_send_ack()
{
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
set_gpio_value(SCL,); // SCL变低
set_gpio_value(SDA, ); //发出ACK信号
delay();
set_gpio_value(SCL,); // SCL变高
delay();
}
/* I2C字节写 */
void i2c_write_byte(unsigned char b)
{
int i;
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
for (i=; i>=; i--) {
set_gpio_value(SCL, ); // SCL变低
delay();
set_gpio_value(SDA, b & (<<i)); //从高位到低位依次准备数据进行发送
set_gpio_value(SCL, ); // SCL变高
delay();
}
i2c_read_ack(); //检查目标设备的ACK信号
}
/* I2C字节读 */
unsigned char i2c_read_byte()
{
int i;
unsigned char r = ;
set_gpio_direction(SDA, INP); //设置SDA方向为输入
for (i=; i>=; i--) {
set_gpio_value(SCL, ); // SCL变低
delay();
r = (r <<) | get_gpio_value(SDA); //从高位到低位依次准备数据进行读取
set_gpio_value(SCL, ); // SCL变高
delay();
}
i2c_send_ack(); //向目标设备发送ACK信号
return r;
}
/*
I2C读操作
addr:目标设备地址
buf:读缓冲区
len:读入字节的长度
*/
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
int i;
unsigned char t;
i2c_start(); //起始条件,开始数据通信
//发送地址和数据读写方向
t = (addr << ) | ; //低位为1,表示读数据
i2c_write_byte(t);
//读入数据
for (i=; i<len; i++)
buf[i] = i2c_read_byte();
i2c_stop(); //终止条件,结束数据通信
}
/*
I2C写操作
addr:目标设备地址
buf:写缓冲区
len:写入字节的长度
*/
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
int i;
unsigned char t;
i2c_start(); //起始条件,开始数据通信
//发送地址和数据读写方向
t = (addr << ) | ; //低位为0,表示写数据
i2c_write_byte(t);
//写入数据
for (i=; i<len; i++)
i2c_write_byte(buf[i]);
i2c_stop(); //终止条件,结束数据通信
}