用MCS-51单片机组成IIC电路实战经验介绍

在MCS-51单片机已经被广泛使用的时候，还没有I2C协议标准。但今天，I2C已经作为IC之间的标准数据交换协议被广泛采用。没有I2C接口的MCS-51单片机也常会涉及和标准I2C器件交换数据，所以MCS-51模拟I2C接口的文章也常见诸报端。
最近，笔者为了设计一个基于I2C时钟的电子打铃器的方案，先进行了一次MCS-51模拟I2C接口操作的实战编程。原以为凭着手头的各种资料，可以轻松完成，没想到颇费了一番周折，所以特将自己获得的经验作个小结。
1.FG器件的硬件结构I2C总线由SDA和SCL两条信号线组成，其中SDA为数据线，SCL为时钟信号线。I2C总线上可以挂接SRAM、E2PROM、ADC/DAC、RTC、I/O口、DTMF、时钟芯片、温度芯片等有标准I2C接口的芯片，形成一个完备的数字化处理系统。上电时，SDA和SCL都由各自线上接的上拉电阻拉到高电平状态。
从图1可以看出，每一个I2C器件都有SDA出、SDA入、SCL出、SCL入四个信号端口。当某一挂接在同一I2C总线的器件SCL输出为低时，SCL总线就会被其拉为低。SDA总线情况也一样。
然而，SDA人和SCL人信号端口在器件内部又是可控制的。
当主机启动I2C总线，并向I2C总线发送器件地址时，各个器件都会接收SDA入和SCL入信号，但只有本器件地址与接收到的器件地址信息一致的那个I2C器件才会继续接收后续的信息，其他器件则会关闭输入端口直至下一次主机启动I2C总线。
2.I2C传输协议标准I2C总线是一条异步串行通讯总线，主机可以随时启动I2C总线，并发送器件地址与相应的从器件建立通讯联系。每一时刻，只能有主机和一个从器件占用I2C总线I2C传输协议允许总线上接入同一I2C总线，在多主机的I2C总线系统中，通过多主竞争的协调管理确定在某一时刻唯一的主机，其他主机则被置于从器件位置等待主机发落。本文仅涉及MCS-5l单片机与I2C从器件的数据交换，所以只模拟单个主机操作I2C从器件的过程。
（1）IIC器件的器件地址和内部地址每一接入I2C总线的从器件都要有唯一的器件地址，器件地址是主机在启动I2C总线后发送的第1个八位二进制数据。这个八位二进制数由三部分组成：四位固有的地址编码（D7-D4），三位引脚地址编码（D3-D1）和一位读/写选择位（1/0,Do）。
四位固有的地址编码是I2C器件出厂前已固化在芯片内的固定编码，是不能改变的。比如E2PROM芯片24CXX（包括各公司生产的兼容芯片）的器件地址为1010,LED驱动器SAAl064的器件地址为0111,时钟芯片PCF8563的器件地址为1010.三位引脚地址编码可以根据器件芯片引脚A2、A1、AO接电源或接地（I/0），形成编码来确定同一总线上从器件芯片个体。24CXX芯片上都有A2、A1、A0引脚，但由于部分芯片内部占用了地址编码资源，所以部分芯片的A2、A1、A0引脚并不全有用，而是空脚。因此，一条总线上可挂接的芯片数量也不一样，24C02可以挂接8片，每一片24C02的引脚A2、A1、A0分别置位为000-111,则主机发送不同的器件地址就能分别访问到不同的24C02芯片。24C16则可看成8片24C02为一体，主机发送不同的器件地址则是访问24C16内部的不同区块。
24C32以上的芯片由于其内部地址编码分两字节，突破了地址编码资源11位（3位器件地址+8位内部地址）的限制，因此总线容量也获得了扩充。
器件芯片内部都有一定量的数据存储单元，这就要由内部地址编码（也称子地址）来确定了。一般的I2C器件的内部地址编码为1个八位二进制数据（A7~AO），可编址256字节。如果不够就需要两字节来表示：高字节（A15~A8）和低字节（A7-AO）。还不够的话，还可以扩充。可以看出I2C协议是有很强的生命力的。
（2）内置地址计数器为了方便对I2C器件内部数据存储单元的读写操作，24Cxx芯片内部还内置了一个地址计数器。在读写一个字节完成后，地址计数器自动加1.这样在第一字节读写完成后，第二次进行读写时，地址计数器已经指向下一个存储单元。在读取数据时，先发送起始单元地址，然后可以连续读取任意个字节，直到地址计数器达到最大值翻转到0,进行下一轮计数。例如24C16（内部地址编码范围000H~7FFH）先发送起始单元地址005H,然后连续读取7FFH个字节，则前7FAH个字节为005H~7FFH单元内容，最后5个字节则是000H~004H单元内容。
但是，进行写入数据操作时，则地址计数器仅限于低三（或四、五、六）位。以24C01为例，当它计数到1000B时，实际上并没有发生进位，而是又回到000B开始下一轮计数。所以，如果是单字节写，可靠的方式是发送写入数据前，都先发送欲写入单元的地址编码。如果是写入连续的单元（也称页写），则先发送起始单元地址，然后发送要写入的n个字节。24COI/02/04/08/16/32/64/128/256每次可连续写入字节数分别为8/16/16/16/16/32/32/64/64个。但这是起始单元地址为0时的连续个数，如果起始单元地址不是0,则实际这些字节的存储位置是不连续的。例如24C16（内部地址编码范围000H~7FFH）先发送起始单元地址005H,然后连续写入16个字节，则前11个字节写入了005H~OOFH单元，最后5个字节被写入了000H~004H单元。如果连续写入17个字节，则005H单元所存的第1个字节内容又被最后的第17个字节覆盖，造成第1个字节内容丢失。
这是页写方式让人较难理解的地方。
（3）读写IzC器件的一般过程每一次读写I2C器件前，主机都要先启动。I2C总线，如图2所示。在时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平向低电平变化即启动了I2C总线，一般称此过程为起始信号S.接着，主机将向I2C总线发送第1个八位二进制数据--器件地址（包括最后一位“读写选择位”）。如果被访I2C器件确认自己被选中，将在主机发出第9个SCL时钟信号时将SDA拉向低电平，形成一个应答信号ACK.此时，主机将SDA置高电平，等待被访I:C器件送回的应答信号。收到应答信号后，主机开始执行相应的读写操作。 一次读写完成后，主机发出终止信号P,所有I2C器件都将恢复SDA和SCL为高电平的初始状态，如图3所示。在时钟线SCIJ为高电平时，数据线SDA由低到高的电平变化即停止了I2C总线数据传送。
根据器件地址最后一位“读写选择位”的不同，可以分为读和写两种情况。但如前所述，读和写在操作上还是有所不同的。下面分字节读、顺序读、字节写、页写四种情况分别叙述。
主机每发送完一个字节，都有一个将SDA置高电平，等待被访I2C器件送回的应答信号过程，以下过程中将此省略，实际过程中是不可省略的，特作说明。同样，主机接收完IzC器件发来的1字节数据后，也会向I2C器件发出一个信号，即到第9个SCL时钟时将SDA拉为低电平（相当于第九位为0），如图4.

字节读先发送要读取单元的子地址：发出起始信号S→发送器件地址（末位为0,写操作）→发送子地址→发出终止信号P;再发送读取命令：发出起始信号S→发送器件地址（末位为1,读操作）→接收I2C器件送出的1个字节数据→发出终止信号P.
如果读取前未发送子地址，则读取的将是上一次读写完成后指向的下一字节内容。这一点同样适用于顺序读过程。需要注意的是，发送子地址前发送的器件地址末位应为0,属于写操作，这是比较容易出错的。
顺序读先发送要读取单元的子地址：发出起始信号S→发送器件地址（末位为0,写操作）→发送子地址→发出终止信号P;再发送读取命令：发出起始信号S→发送器件地址（末位为1,读操作）一接收I2C器件送出的1个字节数据一发出应答信号ACK→重复接收和应答信号直至读取完所要读取的字节→发出终止信号P. 读取完所要读取的字节后，可以在读取最后一个字节的第9个SCL时钟时将SDA置高电平（相当于第九位为1,称为反态应答位），等于明确告知I2C器件本次读取已经结束。
字节写先发送子地址再发送要写入的数据：发出起始信号S→发送器件地址（末位为O,写操作）→发送子地址→发送要写入的数据→发出终止信号P.
页写先发送起始子地址再连续发送要写入的数据：发出起始信号S→发送器件地址（末位为0,写操作）→发送起始子地址→发送要写入第一个的数据→重复发送直至发送完所要连续写入的字节（不同器件可连续写入字节数有不同的限制）→发出终止信号P.
要写入的字节超过器件可连续写入字节数时，应通过循环调用页写过程，逐批将要连续写入的字节写完。
3.MCS-51模拟I2C接口理解了I2C传输协议标准，我们就可以使用MCS一51单片机的两根口线与I2C器件的SDA和SCL引脚连接，用软件模拟I2C传输协议对I2C器件进行读写操作了。需要注意的是，I2C器件在MCS-51系统中只能算比较快的设备，标准的传送速率为最高不大于100kbpS,SCL低电平时段应保持4.7μS以上，高电平时段应保持4.0μS以上。因此，程序中应加入延时子程序，以满足I2C器件的反应速度。
程序通过RS232串口连接到MCS-5l串口，可以方便地在计算机上读写任何I2C器件。

以89C2051和24Cxx连接为例，如图5方式连接，P1.7为SCL线，P1.6为SDA线。89C2051的串口通过MAX232与计算机RS232串口三线连接。将模拟I2C接口的I2C 51.aSm文件编译后，烧录MCS-51单片机的程序存储器，即可在计算机上读写接入的I2C器件。
下面介绍vB程序的使用方法。打开I2C读写器。EXE,主界面如图6所示。首先设置串口号、波特率、数据位数，默认的设置为“COMl:4800,n,8,1”.
点击“设置串口号、波特率、数据位数”按钮，出现如图7所示的对话框。设置结束，可以点击“测试”按钮进行串行线通讯测试。连接和设置正确的话，测试信息框里将出现“通讯正常！”的提示。连接经测试无误，即可进行读写I2C器件的操作。
选择要读取的I2C器件，如果列表框中没有该器件，还可以点击“添加器件”按钮自助添加。点击“读取”按钮，出现如图8所示的“输入读取范围”对话框。输入欲读取的单元块的起始地址和结束地址，点击“确定”,相应单元块的数据内容即会显示在主窗体的文本框中。起始地址和结束地址有十六进制和十进制两种表示方法，使用任一种进制输入，程序将自动转化，方便用户使用。
同样，在主窗体的文本框中输入如“01 F5 7D”的十六进制数据，点击“写入”按钮即可将数据写入I2C器件的指定单元中。不同的是，写入时的结束地址是由起始地址和写人数据个数自动生成的，用户仅需输入起始地址即可。写入数据将被分成八字节以内的小块，逐批发送到51单片机串口并有延时，以保证正确写入I2C器件。 点击“保存”按钮，可以将显示在文本框里的数据内容保存为Hex或Bin文件格式。
点击“发送文件”按钮可以将Hex或Bin文件格式的数据内容写入I2C器件的指定单元块中。
4.结束语本文对I2C器件的硬件结构、接口协议进行了详细分析，并以此为基础给出了没有IzC接口的MCS-51单片机模拟I2C操作的程序实例。同时，还提供了一个在计算机上读写I2C器件的实现方案，希望对想利用I2C器件进行开发的读者有一些帮助和启示。