簡介

I2C（或IIC）代表IC間通信，是流行的微控制器通信協(xié)議之一。I2C通常用于與傳感器通信，但也可用于許多其他應用。I2C 是一種同步協(xié)議，這意味著它有一條時鐘線（有關同步和異步通信的更多信息，請參閱我們關于該主題的文章）。

I2C 通信

雖然 I2C 只使用兩條通信線（時鐘和數(shù)據），但它可以在同一條 I2C 總線上容納多個設備；這是通過使用尋址方案實現(xiàn)的，總線上的每個設備都有一個唯一的地址。通信開始時，首先要發(fā)送通信所針對的設備地址，然后被尋址的設備必須確認它已存在并準備好進行通信。

由于只有一條數(shù)據線（SDA - 串行數(shù)據）用于發(fā)送和接收數(shù)據（半雙工），因此需要一種方案，使通信中的主設備和從設備都能控制數(shù)據線，而不會發(fā)生沖突。必須避免總線沖突，即一個設備試圖向總線寫入高電平，而另一個設備試圖向總線寫入低電平，這將造成短路。

為了實現(xiàn)這一目標，我們采用了一種開漏方案，即任一設備只能將總線驅動為 "低 "或以其他方式 "釋放"，而上拉電阻則用于在總線釋放時將線路拉高（如果你不熟悉開漏或上拉電阻這兩個術語，請參閱我們的相關文章）。時鐘線（SCL - 串行時鐘）也采用了這種方案，并使用一些創(chuàng)新技術為 I2C 協(xié)議添加了一些有用的功能--稍后將詳細介紹。

下圖說明了 I2C 通信序列的典型特征：

通信開始時，I2C 總線處于空閑狀態(tài)--時鐘線和數(shù)據線均無驅動，因此被上拉電阻器拉高。然后，主設備（啟動通信的設備）首先將 SDA 線拉高，然后將 SCL 線拉低，從而啟動通信--這被定義為啟動條件。

接著，主站傳輸希望與之通信的設備的 7 位地址，然后是一個 "讀或寫 入"位，表示主站希望向設備寫入 (0) 還是從設備讀取 (1)。數(shù)據線在時鐘線的上升沿被視為有效（從設備讀取），數(shù)據先傳輸最重要位（MSB）（如果你不熟悉 "最小有效位 "和 "最重要位 "這兩個術語，可以本文閱讀更多內容）。

地址傳輸完成后，假定被尋址的從屬設備存在于 I2C 總線上，主設備將釋放數(shù)據線（漏極開路），從屬設備將在一個時鐘周期內保持數(shù)據線低電平，以確認（ack）其存在并準備通信。如果從屬設備不在總線上，則上拉電阻會將數(shù)據線拉高，主設備就知道從屬設備不可用。

在這個階段，數(shù)據可在主站和從站之間傳輸。如果正在讀取數(shù)據，則從站將傳輸數(shù)據（同時主站繼續(xù)驅動時鐘線）；如果正在寫入數(shù)據，則主站將傳輸數(shù)據。每個數(shù)據字節(jié)后都有一個 Ack 位，在此期間，接收器（可能是主站，也可能是從站，取決于哪一方傳輸數(shù)據）應將數(shù)據線保持為低電平，以表示它已接收到通信（并已準備好進行下一次通信，如果適用的話。）

時鐘拉伸

I2C 總線上的從屬設備可以通過將時鐘 (SCL) 線保持為低電平來延遲響應（如果它們仍在忙并且尚未準備好響應），這種功能被稱為 "時鐘拉伸"；一旦準備好響應，從屬設備就會釋放時鐘線并繼續(xù)數(shù)據傳輸。這與 UART 的流量控制線（CTS/RTS）類似，但不需要額外的通信線路（注意 SPI 協(xié)議沒有流量控制功能）。

一個或多個數(shù)據字節(jié)可依次傳送，每個字節(jié)后都會出現(xiàn)一個應答。

重復啟動

由于從屬設備可能有許多可讀取的值（如多個傳感器讀數(shù)值以及設置值），因此從屬設備可能要求主設備在進行實際讀取之前，首先寫入一條指令，說明要讀取的內容。在這種情況下，主站將首先發(fā)出一條寫入指令，其中的數(shù)據就是要讀取的內容，然后主站將立即發(fā)出讀取指令。但在這中間不會發(fā)出停止，而是主站使用重復啟動條件（隨后是 7 位地址和 1 位讀/寫位，顯然現(xiàn)在已設置為讀取）來實現(xiàn)從寫入到讀取的切換。要發(fā)出重復啟動，主站首先將數(shù)據線置高，然后將時鐘線置低，最后將數(shù)據線置低，再將時鐘線置高。

數(shù)據速率和距離

I2C 總線上的通信速度通常為 100kHz 或 400kHz。這些相對較低的速度可滿足少量數(shù)據傳輸?shù)男枰?SPI（使用 MHz 范圍內的時鐘，可能采用雙模式或四模式）通常是需要傳輸大量數(shù)據的高吞吐量應用的首選。I2C 通常只用于相對較短的通信距離，但也有通過差分對傳輸 I2C 以實現(xiàn)較長距離通信的方案（有關差分對的更多信息，請參閱我們有關高速設計的文章）。

Proteus 包括一個雙模式（主模式或從模式）I2C 協(xié)議分析儀，你可以將其放置在原理圖上并布線。然后，你就鍵入 I2C 序列并將其注入到正在運行的仿真中，并可以查看從 I2C 總線上的其他設備接收到的數(shù)據包。這是一個出色的教學工具，可以快速、輕松地測試主模式和從模式固件。你會發(fā)現(xiàn)許多示例設計都包括與傳感器或多處理器項目的 I2C 通信，這些都可以在演示版中進行模擬。

本文章版權歸英國Labcenter公司所有，由廣州風標電子提供翻譯，原文鏈接如下：https://www.labcenter.com/blog/sim-i2c-protocol/