引 言

在嵌入式系統(tǒng)設計中存在著大量的 IC 間通信，目前使用較多的為 I2C 通信。當前大部分單片機均可采用硬件方式的 I2C 模式進行通信，但也有少部分單片機為降低成本，并未設計硬件方式的 I2C 通信，因此只能采用軟件方式來實現(xiàn)芯片間通信。目前已有大量文獻討論了 I2C 通信時主控方的軟件編寫，但作為通信的另一方，從控方的程序編寫很少有相關(guān)資料涉及，特別是從控方的程序相較于主控方的程序更為復雜。因此從主機通信要求出發(fā)，總結(jié)了一套從機的通信軟件編寫流程[1-3]。

通過主機發(fā)出的信號請求，要求從控機采取相應應答信號。為了實現(xiàn)從機的實時性，要求從機的 SCL 線輸入采用外部中斷方式進行，可將中斷方式設置為上升沿觸發(fā)方式。

1 起始信號

圖 1 所示為主控機發(fā)送I2C 起始信號的波形圖。I2C 總線通過上拉電阻連接電源的正極，當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平都將使總線的信號變低，即各器件的 SDA及 SCL均為線“與”關(guān)系。進行 I2C通信時，首先要確認總線是否空閑。圖 1中，主機先將數(shù)據(jù)線拉高，再將時鐘線拉高，但需注意在拉高時鐘線時從機的響應，其中時間 t1為從機響應時間。從機應立即釋放時鐘線，轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。主機只有檢測到從機釋放時鐘線控制權(quán)時才能進行下一步操作。主機在拉高時鐘線后，檢測時鐘線的狀態(tài)，只有從機為輸入，時鐘線變高后，主機才可以發(fā)出起始命令 [4]。

圖 1 主機發(fā)送起始信號波形

時鐘信號線為高電平時，主機將數(shù)據(jù)線拉低以發(fā)送起始命令，此時從機檢測到數(shù)據(jù)信號線產(chǎn)生由高到低的信號變化后，從機立即檢測時鐘信號線是否產(chǎn)生由高到低的變化， 如若產(chǎn)生，則說明通信起始信號已發(fā)出，主機準備與從機通信 [5]。從機控制流程如圖 2 所示。

圖 2 從機接收起始信號時的程序流程

2 停止信號

停止信號的產(chǎn)生比起始信號簡單，從機對停止信號的要求也比起始信號簡單。

圖 3所示為主機停止信號波形圖，對應從機在主機時鐘信號進入中斷服務程序后，通過檢測主機在數(shù)據(jù)線上發(fā)出的由低到高的電平變化來確認通信結(jié)束。

圖 3 停止信號波形

3 應答信號

主機發(fā)送 1 B 數(shù)據(jù)后，在第九個時鐘（CLOCK）脈沖時必須釋放數(shù)據(jù)線，由從機產(chǎn)生一個應答信號。從機回復低電平為有效應答（ACK），表示從機已成功接收到該字節(jié) ；從機回復高電平為非應答信號（NACK），表示從機未成功接收該字節(jié)。如果是有效的應答信號位，要求從機在第九個時鐘脈沖之前的低電平時間將數(shù)據(jù)線拉低，并確保在第九個時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果主機從從機讀取信息， 則在讀完 1 B 數(shù)據(jù)后，主機向從機發(fā)送一個應答信號 ACK， 讀完最后一個數(shù)據(jù)后，主機向從機發(fā)送一個 NACK 信號，通知從機結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并在最后發(fā)送一個停止信號給從機。應答信號波形如圖 4 所示。在每 8 位數(shù)據(jù)傳送完成后，第九個時鐘脈沖傳送一個應答信號。向從機中寫信息即由從機發(fā)出應答信號 ；從從機中讀信息，即由主機發(fā)出應答信號。應答信號為低即為成功，為高則為失敗。

圖 4 應答信號波形

從機必須配合主機工作，從機在第九個時鐘脈沖上升沿產(chǎn)生中斷時，將根據(jù)自己的接收情況產(chǎn)生應答信號。從機工作程序流程如圖 5 所示。

4 數(shù)據(jù)傳送

4.1 字節(jié)傳送與應答格式

數(shù)據(jù)傳送時先高位后低位，9 位為一幀。如果從機未應答主機信號，如從機正在進行其他工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)，則此時從機在應答時必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，產(chǎn)生一個非應答信號，主機產(chǎn)生一個終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。每傳送完一個 8 位數(shù)據(jù)，主機都要與從機通過應答與非應答信號進行溝通以確定是否繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳送。在主機從從機中讀取數(shù)據(jù)時，主機收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個非應答信號（此時的應答信號由主機發(fā)出）作為線束標志。從機釋放 SDA 線，允許主機產(chǎn)生終止信號。

4.2 數(shù)據(jù)幀格式

從機地址為 7 位，分別占據(jù)一個字節(jié)的 D7 ～ D1 位。D0 位為讀寫標志位，D0=0 為寫入從機操作 ；D0=1，為從從機讀取數(shù)據(jù)操作。從機地址格式與讀寫格式如圖 6 所示。

（1）主機向從機寫數(shù)據(jù)，以 8 位數(shù)據(jù)加一位應答為一幀， 從機負責應答。主機先寫入從機地址，再寫入從機存儲器地址，后面為要寫入的數(shù)據(jù)，以一個字節(jié)加一個應答位（非應答位）為一幀寫入。如果只寫一個字節(jié)，寫完后主機可發(fā)停止信號，如果繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)，則主機繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)即可，不必再次輸入存儲器地址，從機會在上一地址上自動加 1 進行數(shù)據(jù)存儲。此時要特別注意的是 ：從機一定要有應答信號（ACK），否則主機將終止數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。從機無論是產(chǎn)生非應答信號還是在規(guī)定時間內(nèi)未產(chǎn)生應答信號，主機都視為無應答，將終止數(shù)據(jù)傳送。寫數(shù)據(jù)格式如圖 7 所示。

從機接收數(shù)據(jù)時程序較簡單，只要在 CLOCK 時鐘線上升沿產(chǎn)生的中斷中依次接收數(shù)據(jù)，并在接收完 8 位數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應答信號即可。然后對數(shù)據(jù)進行判斷，如果為從機地址數(shù)據(jù)，則判斷此數(shù)據(jù)是否與己方地址相同，相同則繼續(xù)接收，不同則放棄接收。然后接收存儲器地址，并接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)時將所接收的數(shù)據(jù)依次存儲。從機程序流程如圖8所示。

圖 8 從機讀寫數(shù)據(jù)程序流程

（2）主機從從機讀數(shù)據(jù)

讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)時的格式存在一定區(qū)別，從機地址信息需寫 2 次，且需發(fā) 2 次起始信息。數(shù)據(jù)框圖如圖 9所示。

由于接收數(shù)據(jù)時從機程序比較簡單，在此不再討論。

5 結(jié) 語 

I2C 通信是單片機與單片機之間，或單片機與存儲器之間的通信，對于經(jīng)濟型單片機而言，能有效節(jié)省單片機的I/O 口，因此 I2C 通信也在通信領(lǐng)域得到廣泛應用。本文是長期編程過程中的經(jīng)驗總結(jié)，希望能給讀者提供一定參考。