IIC协议时序详解

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1、概述：

在使用单片机或芯片级通信时，I2C是一种必不可少的通信协议。 I2C只有两线接口：一条数据线 (SDA) ，另一条时钟线 (SCL)，通信方式比较简单可靠。但由于SDA、SCL为漏极开路结构(OD)，因此硬件设计时必须接有上拉电阻,阻值的大小常为 1k8,2K2，4k7和 10k；当I2C线空闲时，两根线均为高电平。

本文中以自己项目中所用到的具有I2C通信协议的EEPROM芯片24LC64为例，EEPROM芯片硬件电路如图1所示，数据线和时钟线处于空闲状态时，采用LOTO的OSC802示波器测量空闲时的波形如图2所示。

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               图1 I2C芯片电路

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               图2 示波器测量I2C空闲时状态

2、I2C协议

快速搭建单片机和芯片之间通信，首先要熟悉I2C通信协议，I2C协议主要是怎样判断数据的起始、停止、ACK；下面将一一介绍：

起始信号：当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

停止信号：当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

   I2C起始和停止信号示意如图3所示；

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          图3 I2C起止信号

ACK:单片机每发送一个字节，就在时钟脉冲第9个周期期间释放数据线，由EEPROM芯片发送一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示EEPROM已经成功地接收了该字节。

  对于反馈有效应答位ACK的要求是，EEPROM在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低或一直保持低电平；并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。（通过示波器捕捉功能，采集到的波形如图4所示）

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                    图4 示波器测量I2C总线起始信号

同样应答信号在第9个时钟脉冲为高电平时，规定为非应答位（NACK），表示EEPROM接收该字节没有成功。对于反馈非应答位为NACK时，单片机将会继续发送相同的字节。（测量波形如图5所示）  file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif            图5  非应答时信号状态3、数据的有效性

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
     虽然只要求在高电平期间保持稳定，但是数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好，数据是在SCL的上升沿打入到(EEPROM)中的。

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4、数据传输

在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。但一般数据是以时钟脉冲高电平时SDA状态确定的。

单片机收到来自EEPROM发出的应答后就可以发送数据。传送数据时，单片机就逐个发送数据字节，但每发送一个字节后都要等待应答。

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     等待应答时，时钟脉冲将有一定时间处于低电平的延时，为传输下一个字节的数据做准备。采用LOTO示波器捕捉的信号波形如图8所示   

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                     图7  单片机传输连续数据时序     

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                      图8 示波器捕捉数据发送时序               

◆ 发送停止位.

·       EEPROM收到停止信号后，进入到一个内部的写入周期，需要一定时间（芯片不同时间不同），SCL和SDA被释放。此时任何操作都不会被EEPROM响应；(因此以这种方式的两次写入之间要插入一个延时，否则会导致失败)捕捉信号如同9所示

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