I²C介面的特性与应用

I²C(Inter Integrated Circuit)是荷兰飞利浦公司提倡的串联介面(serial interface)，它与微导线元件(Microwire devices )的用途相同，两者主要差异是微导线元件使用三条导线，如果包含CS在内时则多达四条导线，相较之下I²C却只有二条导线。I²C的通信速度标准模式为0~100kbps，快速模式为0~400kbps，高速模式为0~3.4Mbps。 表1是I²C的信号名称与功能一览，I²C可作Bus连接，Bus的静电容量低于400pF时，一个Bus甚至可作复数个元件连接。I²C与微导线、SPI不同，它没有选择元件的晶片选择(chip selector)信号，I²C的元件闸道(gate)选择是以送讯指令的元件位址(devices address)执行。I²C的Bus以开放渠道((open drain)连接信号线，它还可以在Bus上作复数个主元件(master devices)的连接，不过同时成为接收(active)的主元件却只有一个，它与微导线元件一样，经常使用8根脚架的串联EEPRON type元件，目前市面上已经出现1Mbite超大容量I²C元件，该元件除了应用在设定资讯记忆体之外，经常被当作取代CPU程式的ROM使用。 　 表1 I²C信号的功能一览

I²C的储取时序 图1是Atmel Corporation开发的典型I²C元件AT24C02的脚架配置图，AT24C02属于2kbit串联EEPROM，它与SPI type的串联EEPROM一样都是8位元储取(access)，2kbit的场合，以256×8位元储取时变成8位元。 　 图1 I²C介面的serial EEPROM AT24C02的脚架配置图 　 图2是I²C介面的serial EEPROM AT24C02的基本存取时序(timing)图，它与微导线元件或是SPI元件主要差异是I²C元件无晶片选择功能，此外为识别通信的开始与结束，因此使用开始条件与结束条件(condition)两种特殊状态识别通讯的开始与结束。 　 图2 I²C介面的serial EEPROM AT24C02的基本存取时序 　 图3是I²C元件的开始条件与结束条件，它与一般的存取相异，开始条件的SCL为”H”状态时，会使SDA从”H”变成”L”， 结束条件的SCL为”L”状态时，会使SDA从”H”变成”H”。 　 图3 开始与停止的条件

I²C的写入行程 图4是AT24C02的位组写入格式，I²C元件的写入行程(read cycle)不同于微导线元件与SPI元件，由图可知动作上I²C元件首先发佈开始条件，藉此宣佈开始进行通信，接着发佈8位元(bit)的元件位址，该元件位址是由表2的分配位元(assign bit)决定。元件位址的高阶4元件表示元件型式，记忆体元件的场合为1010b，Bit3~Bit1则是选择晶片的位址。 虽然I²C串联EEPROM拥有从A0一直到A2的位址脚架，不过此处设定的位址却变成元件的位址，例如A0与A1为”L”状态，A2为”H”状态下存取该元件时，元件的位址的Bit3~Bit1必需是100b，接着最低阶位元的Bit0才是表示读(read)或是写(write)的操作位元，写入行程时该位元变成0，读取行程时则变成1。 　 图4 AT24C02的位组写入的格式 　 表2 元件位址 　 I²C的通信与SPI一样以8位元进行，不过I²C接收指令的目标(target)元件会将ACK送返，此时ACK的Host会与送出第9位元的时脉(clock)同步。由于目标元件会将SDA Line变成”L”形成可识别状态，因此主元件(Host device)送出8位元的元件位址后，会使SDA Line变成输入状态，此时为接收ACK因此发佈下一个时脉并接收ACK，整体而言为了结束元件位址传送，因此动作上要求9个时脉。如果元件位址一旦正常送讯，立即传送8位元的位址，成为写入资料的记忆位址。它与元件位址一样传送位址的8位元之后，发佈ACK读取的时脉，同时确认目标元件的ACK。写入行程的场合，写入资料的位元会持续续进行，一旦8位元的资料传送作业结束立即确认ACK，接着为表示通信即将结束，此时会发佈结束条件停止通信作业。 图5是I²C介面的串联(serial)EEPROM AT24C02的随机读取格式((random read format)。I²C的读取行程(read cycle)与微导线、SPI元件有若干差异，I²C的读取行程利用「读取位址的设定(假写入)」与「资料的读取」两种方式进行。读取行程与写入行程一样，会依序发佈开始条件、元件位址、读取位址，虽然在写入行程持续发佈写入资料，不过在读取行程上必需再度中断写入行程，此时读取位址的值变成目标元件内部resistor(亦即current pointer)设定状态。 在读取行程发佈第二次的开始条件之后，再度发佈元件位址，此时为了表示它是读取作业，因此必需将元件位址的最低阶位元的位元变成”H”，如此一来读取1个时脉的ACK之后，才会自动进入资料收讯状态。 　 图5 I²C介面的serial EEPROM AT24C02的随机读取格式 　 有关资料的收讯，首先发佈8位元份的时脉再从MSB读取资料，虽然资料的读入第9个时脉的host会将ACK送返，不过通信的最终资料(亦即发佈结束条件之前的资料)的场合却不会发佈ACK，因此此处的位元停留在”H”状态，最后才发佈结束条件停止读取作业。随着元件的不同，某些元件具备「可以使该资料的读取部位反覆进行数次」，以及「位址可以连续高速读取资料的连续读取(sequence read)」等功能。连续读取的场合，读取最终资料以外的资料位元之后必需将ACK送返。图6是I²C介面的serial EEPROM AT24C02的连续读取格式。 　 图6 I²C介面的serial EEPROM AT24C02的连续读取格式 　 I²C元件与微处理器之间的介面利用两条GPIO进行，I²C元件一旦变成开放渠道(open drain)，SCL与SDA的Line就必需举升(pull up)。图7是典型单晶片微处理器与I²C介面串联EEPROM AT24C02之间的介面，如图所示AT24C02介面分别使用PIC16F648A 、ATtiny2313、H8/3694F、R8C/15、μPD78F922等IC。 存取程式的结构与微导线元件、SPI元件相同，GPIO的初始化与位元控制部位则与元件有依存关系。表3是使用78KOS微处理机(μPD78F922)的存取程式，它与存取程式一样，如果更改GPIO的初始化与位元控制部位的关数，就能够使用其它型式的微处理器，接着依序介绍存取程式的关数功能。 　 图7 典型单晶片微处理器与I²C介面串联EEPROM AT24C02之间的介面 　 表3 使用78KOS微处理机(μPD78F922)的存取程式 　 此处请读者注意，由于下列关数与硬件有依存关系，因此必需配合微处理器进行调整修改。 (a).硬件依存部位 ▶关数名称: void PortInit( ) 执行埠(port)的初始化。 ▶关数名称: void ClkCnt(char sbit) 执行SCL作业。Sbit若是0的话，必需将SCL设定成”L”，除此之外SCL一律 设定成”H”。由于I²C是开放渠道，因此SCL=H时会变成Hi-Z状态。 ▶关数名称: void DatCnt(char sbit) 执行SDA作业。Sbit若是0的话，必需将SDA设定成”L” 除此之外SCL一律设定成”H”。由于I²C是开放渠道，因此SDA=H时会变成Hi-Z状态。 ▶关数名称: char DatChk( ) 执行SDA的读入作业。SDA若是”L”时会将0送返，SDA若是”H”时，会将0以外的值送返。 (b).内部关数 下列关数应用在内部处理。 ▶关数名称: void InitInterface( ) 执行介面的初始化。唿叫Port Init( )，执行埠的初始化，使控制信号变成不执行(default)状态。 ▶关数名称: void StartInterface( ) 发佈开始条件，开始进行通信。 ▶关数名称: void StopInterface( ) 发佈结束条件，停止进行通信。 ▶关数名称: void SenDat(char dat,char cnt ) 执行资料送讯，使资料位元从高阶位元传送cnt位元份。 ▶关数名称: char RecvDat(char cnt ) 执行资料收讯，接收从高阶位元传送的cnt位元份。 (c).元件存取关数 以下关数是元件存取的关数。高阶应用时只要唿叫此关数，就可以对元件进行存取，存取存取关数共有两种，分别如下: ▶关数名称: void I²CRead(char *buff,char adr) 它是I²C元件的读取关数，可以读取指定位址的8位元资料，并将收容读取资料的buff pointer交给缓冲器(buffer)。 ▶关数名称: void I²CWrite(char *buff,char adr) I²C元件的写入关数，可以将8位元的资料写入指定位址，并将收容写入资料的buff pointer交给缓冲器(buffer)。不过写入时间的控制并不是以此关数执行，因此高阶应用必需等待写入时间。

H8/3694F的I²C模组IIC2 H8/3694F内建I²C模组IIC2，由于IIC2是比照I²C元件，因此同样介面具备次设定(sub set)的功能，可以选择时脉同步式串联格式。 使用I²C时IIC2的特征如下: ‧mast模式时，会自动产生开始条件与结束条件 ‧可以选择收讯时的承诺输出强度(acknowledge output level) ‧可以自动下载(load)送讯时的承诺位元 ‧内建位元同步/待机功能 ‧6种插入要件(送讯资料empty，送讯结束、收讯资料满溢(full)，仲裁损失(arbitration lost)，检测NACK，检测结束条件) ‧可以直接驱动Bus 图8是H8/3694F内建I²C模组(IIC2)的方块图。IIC2内部的出纳(Resistor)种类分别如下: ‧ICCR1 Resistor(I²C Bus控制Resistor 1) ‧ICCR2 Resistor(I²C Bus控制Resistor 2) ‧ICMR Resistor(I²C Bus模式Resistor) ‧ICIER Resistor(I²C 中断器(interrupt) enable Resistor) ‧ICSR Resistor(I²C Bus状态(status) Resistor) ‧SAR Resistor(伺服位址(slave address) Resistor) ‧ICDAT Resistor(I²C Bus送讯Resistor) ‧ICDARR Resistor(I²C Bus收讯Resistor) ‧ICDARS Resistor(I²C Bus移动Resistor) ICDAT Resistor属于收容送讯资料的出纳(Resistor)，因此写入的资料实际上会被送讯；ICDRR Resistor是收讯资料的Resistor；虽然ICDRS Resistor为内部处理用出纳(Resistor)，不过却无法从CPU进行存取，详细电路图请参考7(c)。 　 图8 H8/3694F内建I²C模组(IIC2)的方块图

实际程式 表2是IIC2使用可以对I²C进行存取的程式一览，程式内的各关数的功能分别如下: ▶关数名称: int I²CMode(int mode) 进行I²C介面模式的设定，mode O为读取，mode 1写入。此处所谓的读取/写入是指介面的读取/写入。 例如进行串联EEPROM的读取时，虽然必需先设定元件位址与读取位址，不过它却是属于写入模式，此处请读者注意，不能将上述操作与一般读取作业混杂 ▶关数名称: int StartCondition( ) 发佈开始条件。 ▶关数名称: int StopCondition( ) 发佈结束条件。 ▶关数名称: int ByteWrite( unsigned char dat) 发佈1Byte资料的写入(送讯)。ACK未被检测时，发生错误(error)时的折返值变 成0(FALSE)。 ▶关数名称: int ByteRead( ) 进行1Byte资料的读取(收讯) ▶关数名称: void WaitRDRF( ) 等待收讯作业结束，实际上它是以ByteWrite等待收讯作业的结束，所以不 需要唿叫此关数。 　 表4 使用H8/3694F内建I²C模组时的存取程式 　 使用以上关数执行I²C元件串联EPROM AT24C02的读写时，必需配合下列操作: ▶1Byte的写入 资料写入I²C元件要求下列作业: ①发佈开始条件 ②元件位址的送讯 ③写入位址的送讯 ④写入资料的送讯 ⑤发佈结束条件 执行以上一连串作业的关数是「void I²CWrite(char adr,char dat)」。使用串联EPROM进行写入作业时，必需等待作业后的写入时间，如果结束写入作业立即进行下一个操作时，写入作业可能无法正确进行。 ▶1Byte的读入 资料读入I²C元件要求下列作业: ①发佈开始条件 ②元件位址的送讯 ③读入位址的送讯 ④发佈结束条件 ⑤元件位址的送讯(读入模式) ⑥资料的读入 ⑦发佈结束条件 执行以上一连串作业的关数是「int I²CRead(char adr)」。使用以上关数可以轻易对I²C元件进行存取。 由于I²C串联介面的通信速度具备三种模式，而且可能在一个Bus上作复数个元件连接，因此I²C串联介面广泛应用在各种通讯产品，一般认为未来可望持续扩大应用范围。