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树莓派I2C接口技术及Python SMBus串行I2C EEPROM应用编程

文章目录 一、I2C接口技术 1.I2C总线系统组成 2.I2C总线的状态及信号 3.I2C总线基本操作 4.启动和停止条件 5.I2C总线数据传输格式 二、I2C总线上拉电阻的估算与选取 三、树莓派与AT24C02接口实验电路及Python SMBus串行I2C EEPROM应用编程 1.启动RPi串行I2C接口及安装Python SMBus库 2. 树莓派与AT24C02 EEPROM接口实验电路 3. Python SMBus库函数介绍 4. 使用I2C Tools及Python SMBus读写AT24C02 EEPROM 一、I2C接口技术 I2C接口是嵌入式系统中常用的网络接口之一,它采用串行通信方式将MCU/传感器连接到系统总线,通过主机/从机的方式协调工作。 I2C/IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是由PHILIPS公司于1982年针对MCU/传感器等应用需求而研制的一种两线式串行总线,用于连接MCU及传感器等设备。 I2C总线的主要特点如下: (1)I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。 (2)由于接口直接在组件之上,因此I2C总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。 (3)I2C总线的长度可高达25英尺(约7.6m),并且能够以标准模式100Kbps的传输速率支持40个组件。新一代I2C总线还支持高速模式400Kbps传输。 (4)I2C总线的另一个优点是支持多主控(multi-mastering), 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。 1. I2C总线系统组成 I2C总线协议包含两层协议:物理层和数据链路层。 在物理层,I2C总线仅使用了两条信号线:一个是串行数据线SDA (Serial DAta line),它用于数据的发送和接收;另一个是串行时钟线SCL (Serial Clock Line)构成的串行总线,它用于指示何时数据线上是有效数据,即数据同步。MCU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,I2C标准模式最大传送速率为100kbps,I2C快速模式最大传输速率为400kbps。 在数据链路层,每个连接到I2C总线上的设备都有唯一的地址,设备的地址由系统设计者决定。在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一设备既是主设备(或从设备)又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。 由I2C总线所构成的系统可以有多个I2C节点设备,并且可以是多主系统,任何一个设备都可以为主I2C;但是任一时刻只能有一个主I2C设备,I2C具有总线仲裁功能,以保证系统正确运行。主I2C设备发出时钟信号、地址信号和控制信号,选择通信的从I2C设备并控制收发。I2C总线要求:(1)各个节点设备必须具有I2C接口功能;(2)各个节点设备必须共地;(3)两根信号线必须接上拉电阻Rp。如图1所示。  图1 多I2C设备接口示意图 2. I2C总线的状态及信号 (1)空闲状态 SCL和SDA均处于高电平状态,即为总线空闲状态(空闲状态为何是高电平的道理很简单,因为它们都接上拉电阻)。 (2)占有总线和释放总线 若想让器件使用总线应当先占有它,占有总线的主控器向SCL线发出时钟信号。数据传送完成后应当及时释放总线,即解除对总线的控制(或占有),使其恢复成空闲状态。 (3)启动信号[S] 启动信号由主控器产生。在SCL信号为高时,SDA产生一个由高变低的电平变化,产生启动信号。 (4)结束/停止信号[P] 当SCL线高电平时,主控器在SDA线上产生一个由低电平向高电平跳变,产生停止信号。启动信号和停止信号的产生见图2所示。  图2 启动信号和停止信号的产生 (5)应答/响应信号[A/NA] 应答信号是对字节数据传输的确认。应答信号占1位,数据接收者接收1字节数据后,应向数据发出者发送一个应答信号。对应于SCL第9个应答时钟脉冲,若SDA线仍保持高电平,则为非应答信号(NA/ACK)。低电平为应答,继续发送;高电平为非应答,结束发送。 (6)控制位信号[R/nW] 控制位信号占1位,IIC主机发出的读写控制信号,高为读、低为写(对IIC主机而言)。控制位(或方向位)在寻址字节中给出。 (7)地址信号 地址信号为从机地址,占7位,称之为“寻址字节”(见表1)。 表1 寻址字节  下面对表1中的各字段进行说明。 器件地址(DA3-DA0):DA3-DA0是I2C总线接口器件固有的地址编码,由器件生产厂家给定,如AT24C××I2C总线EEPROM器件的地址为1010等。 引脚地址(A2、A1、A0):引脚地址由I2C总线接口器件的地址引脚A2、A1、A0的高低来确定,接高电平者为1,接地者为0。 读写控制位/方向位(R/n W):R/nW为1表示主机读,R/nW为0表示主机

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    I2C 总线协议

    1.I2C协议 2条双向串行线,一条数据线SDA,一条时钟线SCL。 SDA传输数据是大端传输,每次传输8bit,即一字节。 支持多主控(multimastering),任何时间点只能有一个主控。 总线上每个设备都有自己的一个addr,共7个bit,广播地址全0. 系统中可能有多个同种芯片,为此addr分为固定部分和可编程部份,细节视芯片而定,看datasheet。 1.1 I2C位传输 数据传输:SCL为高电平时,SDA线若保持稳定,那么SDA上是在传输数据bit; 若SDA发生跳变,则用来表示一个会话的开始或结束(后面讲) 数据改变:SCL为低电平时,SDA线才能改变传输的bit 1.2 I2C开始和结束信号 开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据。 结束信号:SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。 1.3 I2C应答信号 Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。 即在第9个clock,若从IC发ACK,SDA会被拉低。 若没有ACK,SDA会被置高,这会引起Master发生RESTART或STOP流程,如下所示: 1.4 I2C写流程 写寄存器的标准流程为: 1. Master发起START 2. Master发送I2C addr(7bit)和w操作0(1bit),等待ACK 3. Slave发送ACK 4. Master发送reg addr(8bit),等待ACK 5. Slave发送ACK 6. Master发送data(8bit),即要写入寄存器中的数据,等待ACK 7. Slave发送ACK 8. 第6步和第7步可以重复多次,即顺序写多个寄存器 9. Master发起STOP 写一个寄存器 写多个寄存器 1.5 I2C读流程 读寄存器的标准流程为: 1. Master发送I2C addr(7bit)和w操作1(1bit),等待ACK 2. Slave发送ACK 3. Master发送reg addr(8bit),等待ACK 4. Slave发送ACK 5. Master发起START 6. Master发送I2C addr(7bit)和r操作1(1bit),等待ACK 7. Slave发送ACK 8. Slave发送data(8bit),即寄存器里的值 9. Master发送ACK 10. 第8步和第9步可以重复多次,即顺序读多个寄存器 读一个寄存器 读多个寄存器 2. PowerPC的I2C实现

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