I2C总线应用系统设计

内容简介

　　串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一个显著特点。其中PHILIPS公司推出的 I2C总线（INTEL IC BUS）最为著名。与并行扩展总线相比，串行扩展总线有突出的优点：电路结构简单，程序编写方便，易于实现用户系统软硬件的模块比、标准化等。目前I2C总线技术已为许多著名公司所采用，并广泛应用于视频音像系统中。推广I2C总线技术将有助于提高我国单片机应用水平。

　　本书是《单片机应用技术丛书》之一，主要介绍I2C总线的结构原理、I2C总线系统的软、硬件设计方法。书中向读者提供了一套L℃总线的模拟软件包，为无I2C总线接口的单片机用户使用I2C接口器件带来极大方便.本书适合从事单片机应用的研究人员和工程技术人员阅读，也可供大专院校有关专业的师生做教学参考书使用。

前言

　　串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一个显著特点。其中PHILIPS公司推出的 I2C总线（INTEL IC BUS）最为著名。与并行扩展总线相比，串行扩展总线有突出的优点：电路结构简单，程序编写方便，易于实现用户系统软硬件的模块比、标准化等。目前I2C总线技术已为许多著名公司所采用，并广泛应用于视频音像系统中。推广I2C总线技术将有助于提高我国单片机应用水平。

　　本书是《单片机应用技术丛书》之一，主要介绍I2C总线的结构原理、I2C总线系统的软、硬件设计方法。书中向读者提供了一套L℃总线的模拟软件包，为无I2C总线接口的单片机用户使用I2C接口器件带来极大方便.本书适合从事单片机应用的研究人员和工程技术人员阅读，也可供大专院校有关专业的师生做教学参考书使用。

　　新一代单片机技术的显著特点之一就是串行扩展总线的推出。在没有专门的串行扩展总线时，除了可以使用 UART串行口的移位寄存器方式扩展并行I/O外，只能通过并行总线扩展外围器件。由于并行总线扩展时连线过多，外围器件。作方式各异，外围器件与数据存储器混合编址等，都给单片机应用系统设计带来较大困难。外围器件在系统中软、硬件的独立性较差，无法实现单片机应用系统的模块化、标准化设计。

　　目前在新一代单片机中使用的串行扩展接口有 MOTOROLA的 SPI，NS 公司的 MICROWIRE/PLUS和PHILIPS 公司的I2C总线。其中I2C总线具有标准的规范以及众多带I2C接口的外围器件，形成了较为完善的串行扩展总线。

　　I2C总线最显著的特卢、是规范的完整性，结构的独立性和用户使用时的"傻瓜"化。 I2C总线有严格的规范，如接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义、总线状态设置、总线管理规则及总线状态处理等。

　　在I2C总线规范中，总线上的器件节点具有极大的独立性，而且各节点上的器件、模块都有相对独立的地址编号。

　　严格、完善的规范，并将这些规范的应用尽可能"傻瓜"化，除了有充分的硬件支持外，在软件方面，PHILIPS公司为用户提供了一套完善的总线状态处理软件包，以致于用户可以不去熟悉I2C总线的规范，不去理睬总线的管理方法，只要掌握I2C总线的应用程序设计方法就可方便地使用I2C总线，并且能很快地掌握I2C总线系统的软、硬件设计方法。

　　由于I2C总线系统中，各个节点的电气特性及地址给定都具有较强的独立性，因此，在应用系统中采用I2C总线结构就有可能实现用户梦寐以求的器件及功能单元的软、硬件标准化和模块化设计。

　　器件及功能单元的标准化、模块化，取决于器件单元硬件电气连接的最少相关性与软件的独立性。软件的独立性则表现在独立编址及数据传送方式的简单化与单一性。而1℃总线所具有的特点最好地满足了上述要求。

　　在硬件结构上，任何一个具有I2C总线接口的外围器件，不论其功能差别有多大，都具有相同的电气接口；除了总线外，各器件节卢、没有其它电气连接，甚至各节点的电源都可以单独供电；在各器件节点上没有并行扩展时所必须的片选线，器件地址给定完全取决于器件类型与单元电路结构。在软件上，不论何种器件，其I2C总线的数据传送都具有相同的操作模式，而且每个器件操作时都与其它器件节点无关。在实际使用中，总线节点上的器件甚至可在总线工作状态下撤除或挂上总线。

　　目前I2C总线大量应用在视频、音像系统中，PHILIPS推出的近200种I2C总线接口器件主要是视频、音像类器件。除PHILIPS公司外，I2C总线已被众多的厂家使用在高档电视机、电话机、音响、摄录象系统中，在大量测控领域单片机应用系统中尚未普及推广。本书的目的在于将I2C总线技术普及到单片机应用系统中，使其成为一项常规性系统扩展技术。本书内容安排，除了必要的I2C总线的结构原理叙述外，主要介绍了I2C总线接口器件及软、硬件设计技术，以便读者能方便地使用这一技术。书中介绍的模拟I2C总线的应用程序设计方法及总结出的通用软件包可使目前广大的MCS－51的用户毫无障碍地使用I2C总线技术。

　　可以设想，在使用I2C总线后，单片机应用系统的典型结构模式只是一个带I2C总线接口的单片机最小系统。而单片机最小系统则可以做成80C51系列单片机十64KEPROM＋64KRAM的标准系统。系统中的各种功能接口尽可能地使用带I2C总线接口的器件或模块，或1/O以及由I/O组成的键盘、LED/LCD显示、E2PROM、日历时钟、A/D、D/A等。通过I/O还可以构成其它的功能接口如打印机接口、码盘输入等。由于给出了标准的和模拟的通用软件包，应用程序设计也十分简单。

　　在I2C总线技术上还有许多工作可做，如位方式的数据通讯；由 ACCESS.BUS构成的桌面多机系统及网络等。

　　本书是作者近两年在I2C总线系统实验的基础上总结而成，在此期间得到了PHILIPS 公司的大力支持以及林学龙、许涛、刘英晖、杨蔚乔、李超、陈伟、张贤对等同志的协助，在此表示感谢。

　　与本书相配合，我们设计制作了I2C总线系统实验板IICTS－1以及与之配套的软件，读者如有需要请和我们联系。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　北京航空航天大学
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　何立民1994.12

目录

第一章 绪 论
1.1 8位单片机（MCU）的新浪潮
1.1.1 8位机的巨大市场前景
1.1.2 8位单片机的新天地
1.1.3 单片机的总线与非总线应用
1.2 应用系统设计中的串行扩展技术
1.3 芯片间串行接口与串行总线
1.3.1 串行外围接口 SPI
1.3.2 串行通讯接口 MICROWIRE/PLUS
1.3.3 I2C串行扩展总线
1.3.4 串行扩展总线的模拟传送
1.4 常用的I2C总线接口器件
1.4.1 带I2C总线接口的单片机
1.4.2 PHILIPS公司I2C总线接口的通用外围器件

第二章 I2C总线的结构与工作原理 
2.1 概 述
2.1.1 I2C总线在单片机应用系统设计中的意义
2.1.2 I2C总线的一般应用特性
2.1.3 I2C总线系统中的几个名词、术语
2.2 I2C总线的基本原理
2.2.1 I2C总线的接口电路
2.2.2 I2C总线的信号及时序定义
2.2.3 I2C总线上的数据传送格式
2.2.4 I2C总线的寻址约宗
2.3 8XC552的I2C接口的结构与工作原理
2.3.1 I2C总线接口 SIO1的结构
2.3.2 I2C总线的特殊功能寄存器
2.3.3 I2C总线的工作方式
2.3.4 SIO1的特殊情况及其处理方法
2.3.5 SIO1总线状态处理模块
2.4 I2C总线规约的扩展
2.4.1 局速数据传输模式
2.4.2 10位寻址方式的扩展

第三章 I2C总线应用系统硬件设计
3.1 概 述
3.1.1 I2C总线系统中的节点
3.1.2 I2C总线的通用系统与专用系统
3.1.3 ACCESS BUS系统
3.2 I2C总线及器件的电气特性
3.2.1 I2C总线及器件的电气规范
3.2.2 I2C总线器件的供电
3.2.3 I2C总线上RP、RS的取值
3. 2. 4 总线的走线结构
3.3 I2C总线的通用器件演示系统
3.3.1 I2C－87C××× 评估板结构
3.3.2 I2C－87C×××评估板的单元电路
3.3.3 I2C－87C×××评估板应用指南
3. 3. 5 BOL的I2C总线学习实验板
3. 4 I2C总线接口的扩展
3. 4. 1 PCF8584的结构及工作原理
3. 4. 2 PCF8584的工作方式
3. 4. 3 PCF8584的时序及电气特性
3. 4. 4 典型接口扩展的硬件电路
3. 4. 5 应用实例
3. 5 I2C总线的驱动扩展
3. 5. 1 82B715的基本结构及特性
3. 5. 2 带82B715驱动的最小总线系统
3. 5. 3 82B715的测试系统

第四章 常用I2C总线接口通用器件的结构与工作原理 
4. 1 概 述
4. 1. 1 器件的种类、型号及寻址字节
4. 1. 2 I2C接口器件的一般数据操作原理 
4. 1. 3 器件的软、硬件界面
4. 1. 4 I2C总线与模拟I2C总线的选择
4. 2 静态 RAM PCF8570/8570C/8571
4. 2. 1 概 述
4. 2. 2 结构与特性参数
4. 2. 3 工作原理及数据操作格式
4. 2. 4 PCF8570/8570C/8571的节电方式
4. 2. 5 应用指南
4. 3 E2PROM AT24C系列
4. 3. 1 概 述
4. 3. 2 结构与特性参数
4. 3. 3 工作原理与数据操作格式
4. 3. 4 其它系列 E2PROM产品简介
4. 3. 5 应用指南
4. 4 I/O口扩展器件 PCF8574
4. 4. 1 概 述
4. 4. 2 结构与特性参数
4. 4. 3 工作原理及数据操作格式
4. 4. 4 应用指南
4. 5 A/D及 D/A转换器 PCF8591
4. 5. 1 概 述
4. 5. 2 结构与特性参数
4. 5. 3 工作原理及数据操作格式
4. 5. 4 应用指南
4. 6 日历时钟、SRAM PCF85834. 5. 1 概 述
4. 5. 2 结构与特性参数
4. 5. 3 工作原理及数据操作格式
4. 5. 4 应用指南
4. 7 LED驱动控制器 SAA1064
4. 7. 1 概 述
4. 7. 2 结构与特性参数
4. 7. 3 工作原理及数据操作格式
4. 7. 4 应用指南
4. 8 160段 LCD驱动/控制器 PCF8576
4. 8. 1 概 述
4. 8. 2 结构与特性参数
4. 8. 3 工作原理及数据操作格式
4. 8. 4 PCF8576的系统硬件构成与操作方式

第五章 I2C总线的应用程序设计原理 
5. 1 概 述
5. 2 总线的数据操作过程及总线状态处理
5. 2. 1 I2C总线数据传送过程
5. 2. 2 I2C总线状态处理的有关 SFR
5. 2. 3 I2C总线数据操作的有关内存单元
5. 3 I2C总线数据传送的通用软件包
5. 3. 1 I2C总线状态处理模块
5. 3. 2 I2C中断及状态处理散转程序
5. 3. 3 I2C总线的初始化及通用读、写子程序
5. 3. 4 I2C总线通用软件包（ⅡC）
5. 4 主方式下I2C总线数据传送的通用软件包
5. 4. 1 主方式下的状态处理模块
5. 4. 2 主方式下的通用软件包MⅡC
5. 5 I2C总线应用程序设计
5. 5. 1 应用程序设计界面
5. 5. 2 应用程序设计实例

第六章 I2C总线数据传送的模拟 
6. 1 概 述
6. 2 I2C总线数据传送的典型信号模拟
6. 2. 1 I2C总线数据传送的时序要求
6. 2. 2 I2C总线数据传送的典型信号模拟
6. 2. 3 典型信号模拟子程序
6. 2. 4 I2C总线模拟传送的通用子程序
6. 3 模拟I2C总线的通用软件包
6. 3. 1 模拟I2C总线通用软件包组成
6. 3. 2 通用软件包应用指南
6. 4 模拟I2C总部应用程序设计
6. 4. 1 应用程序设计界面
6. 4. 2 应用程序设计实例

附录：I2C总线接口器件

参考资料