I2C串行总线在单片机8031应用系统中的设计与实现

1　I2C总线概述

　　I2C （inter IC bus）总线是由Philips公司提出的串行通信接口规范，常见的中文译名有“集成电路间总线”或“内部集成电路总线”。它使用两条线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），使连接到该总线上可访问的器件之间传送信息，属于多主控制总线。总线上的每个器件均可设置唯一的地址，从而可实现器件的有效访问。自Philips公司推出I2C总线后，Philips公司及其他公司纷纷相继推出了许多I2C总线产品，如各种微处理器、存储器（PCF8571/8570，128/256 字节）、A/D（PCF8591）、D/A（TDA8442/8444）转换器、E2PROM及各种I2C总线接口电路（PCF8584）等。由于I2C总线的使用可以简化电路，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高产品的可靠性，在许多领域尤其在目前使用的IC卡获得了广泛的应用，国际标准ISO7816-2规定了IC卡与读写设备信息传输是基于I2C总线传输协议的。不仅如此，I2C总线在家电方面也有较广泛的应用，如国产长虹NC-3机芯彩电，东芝火箭炮等。尽管Philips公司推出带有I2C 总线接口的80C31系列单片机，如：8XC528、8XC552、8XC562、8XC751等，但在单片机组成的智能化仪表和测控系统中，乃有相当比例数量使用的是MCS51、AT89C5X系列单片机，如8031、8751、AT89C51、AT89C52等，它们不具有I2C串行总线接口。本文将结合笔者在开发智能化产品用到的E2PROM，介绍在不具有I2C串行总线接口的单片机8031应用系统中实现I2C总线接口的方法和软件设计。

2　I2C总线的组成及I2C总线性能

2.1　I2C总线的特点

　　由于I2C总线仅用二条线来传达信息，因而具有独特的优点：
　　① 可最大限度地简化结构；可实现电路系统的模块化、标准化设计。
　　② 标准I2C总线模块的组合开发方式大大地缩短了新产品的开发周期。
　　③ I2C总线系统具有很大的灵活性；I2C总线各节点具有独立的电气特性。
　　④ I2C总线系统可方便地对某一节点电路故障进行诊断与跟踪，有很好的可维护性。

2.2　I2C总线的组成

　　I2C总线是芯片间串行传输总线，与SPI，MICROWIRE/PLUS接口不同，它以一根串行数据线和一根串行时钟线组成，如图1所示，它是全双工双向数据传输线，核心是主控CPU，被控器的SDA，SCL要相应地接到I2C总线的SDA，SCL上，可以方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法，从而使硬件系统具有简单而灵活的扩展方法。按照I2C总线的规定，其SDA、SCL各要通过上拉电阻接到电源VCC上。

图1　I2C总线的组成

2.3　I2C总线协议

　　任何总线的推出及应用都有其特有的规定，其总线时序图如图2所示。

图2　I2C总线时序图

　　I2C总线一般须满足如下协议：

　　① 只有当总线不忙时，数据传送才能开始；
　　② 数据传送期间，无论何时时钟线为高，数据线必须保持稳定。当时钟线为高时，数据线的变化将认为是传送的开始或停止；
　　③ 当时钟线为高时，数据线由高到低的变化决定开始条件；
　　④ 当时钟线为高时，数据线由低到高的变化决定停止条件；
　　⑤ 在开始条件后，SCL低电平期间，SDA允许变化，每位数据需一个时钟脉冲，当SCL为高时，SDA必须稳定；
　　⑥ 主控器在应答时钟脉冲高电平期间释放SDA线高，转由接收器控制。受控器在应答时钟脉冲高电平期间必须拉低SDA线，以使之为稳定的低电平作为有效应答；
　　⑦ 总线不忙时，数据线和时钟线保持为高电平。

2.4　I2C总线上的数据传输方式

　　图3为I2C 总线数据传输格式示意图，第一部分为数据传输起始信号，即由此开始进行数据传送；第二部分为受控IC的地址，用来选择向哪一个受控IC传送数据；第三部分为读/写位，它指示出受控IC的工作方式；第四部分为应答信号，它是被CPU选中的受控IC向CPU传回的确认信号；第五部分为传送的数据；第六部分为停止位。在I2C总线上挂接的所有被控IC都要有一个自己的地址，CPU在发送数据时，I2C总线上的所有被控IC都会将CPU发出位于起始信号后面的受控电路地址与自己的地址相比较，如果两者相同，则该被控IC认为自己被CPU选中，然后按照读/写位规定的工作方式接收或发送数据。