I2C总线原理
♦什么是I2C总线？
I2C即Inter IC，由Philips公司开发，是当今电子设计中应用非常广泛的串行总线之一，主要用于电压、温度监控，EEPROM数据的读写，光模块的管理等。
I2C总线只有两根线，SCL和SDA，SCL即Serial
Clock，串行参考时钟，SDA即Serial
Data，串行数据。
♦I2C总线的速率能达到多少？
标准模式下：100Kbps
快速模式下：400Kbps
高速模式下：3.4Mbps
I2C总线结构如下图所示：
如上图所示，I2C是OC或OD输出结构，使用时必须在芯片外部进行上拉，上拉电阻R的取值根据I2C总线上所挂器件数量及I2C总线的速率有关，一般是标准模式下R选择10kohm，快速模式下R选取1kohm，I2C总线上挂的I2C器件越多，就要求I2C的驱动能力越强，R的取值就要越小，实际设计中，一般是先选取4.7kohm上拉电阻，然后在调试的时候根据实测的I2C波形再调整R的值。
♦I2C总线上最多能挂多少个I2C器件？
I2C总线上允许挂接I2C器件的数量由两个条件决定：
1).I2C从设备的地址位数。I2C标准中有7位地址和10位地址两种。如果是7位地址，允许挂接的I2C器件数量为：27＝128，如果是10位地址，允许挂接的I2C器件数量为：210＝1024，一般I2C总线上挂接的I2C器件不会太多，所以现在几乎所有的I2C器件都使用7位地址。
2).挂在I2C总线上所有I2C器件的管脚寄生电容之和。I2C总线规范要求，I2C总线容性负载最大不能超过470pF。
♦I2C总线是如何工作的？
1).I2C总线传输的特点。
I2C总线按字节传输，即每次传输8bits二进制数据，传输完毕后等待接收端的应答信号ACK，收到应答信号后再传输下一字节。等不到ACK信号后，传输终止。空闲情况下，SCL和SDA都处于高电平状态。
2).如何判断一次传输的开始？
如上图所示，I2C总线传输开始的标志是：SCL信号处于高电平期间，SDA信号出现一个由高电平向低电平的跳变。
3).如何判断一次传输的结束？
如上图所示，I2C总线传输结束的标志是：SCL信号处于高电平期间，SDA信号出现一个由低电平向高电平的跳变。跟开始标识正好相反。
4).什么样的I2C数据才是有效的。
在SCL处于高电平期间，SDA保持状态稳定的数据才是有效数据，只有在SCL处于低电平状态时，SDA才允许状态切换。前面已经讲过了，SCL高电平期间，SDA状态发生改变，是传输开始/.结束的标志。
♦I2C总线的主要时序参数有哪些？
I2C总线的主要时序参数有：开始建立时间t
SU:STA，开始保持时间t HD:STA，数据建立时间t
SU:DAT，数据保持时间t SU:DAT
，结束建立时间t SU:STO
。如下图所示：
开始建立时间：SCL上升至幅度的90%与SDA下降至幅度的90%之间的时间间隔；
开始保持时间：SDA下降至幅度的10%与SCL下降至幅度的10%之间的时间间隔；
数据建立时间：SDA上升至幅度的90%或SDA下降至幅度的10%与SCL上升至幅度的10%之间的时间间隔；
数据保持时间：SCL下降至幅度的10%与SDA上升至幅度的10%或SDA下降至幅度的90%之间的时间间隔；
结束建立时间：SCL上升至幅度的90%与SDA上升至幅度的90%之间的时间间隔；
I2C总线的时序参数要求：
♦I2C总线如何进行读写操作？
如上图所示，I2C开始传输时，第一个字节的前7bit是地址信息(7位地址器件)，第8bit是操作标识，为“0”时表示写操作，为“1”时表示读操作，第9个时钟周期是应答信号ACK，低有效，高电平表示无应答，传输终止。在上图中还可以看出，正常情况下，写操作是I2C主设备方发起终止操作的，而读操作时，I2C主控制器在接收完最后一个数据后，不对从设备进行应答，传输终止。
♦I2C总线案例分析
问题描述：
在测试某I2C总线时，发现SDA数据线上有毛刺，而且出现的位置很有规律，一般在第9，18，27-----时钟周期的后面。如下图所示。
问题分析：
如上图所示，t1是I2C总线上的Slave设备应答信号ACK(第9个时钟周期输出)相对与参考时钟SCL下降沿的滞后时间。数据方向是Slave-->Master。t
2是I2C总线上的Master设备在第10个时钟输出相对了参考时钟SCL的滞后时间。数据方向是Master-->Slave。∆t是Master设备与Slave设备输出数据延迟的时间差。
Master设备发出最后一个bit数据后，总线的使用权交给Slave设备使用，由Slave设备发出应答信号ACK，该信号在SCL下降沿经t1延迟后发出，在SCL的下一个时钟沿后内经t1后结束。而Master设备在同一个时钟沿，经常t2延迟后发出第9bit数据，这样在∆t
(t2-t1)时间内，Master和Slave设备都没有使用总线，由于SDA是OC/OD输出，芯片外面通过电阻R上拉到VCC，将SDA电平拉升，但是由于∆t很短，VCC还没来的及将SDA拉到稳定的高电平，Master就开始发出数据“VCC还没来的及将SDA拉到稳定的高电平，Master就开始发出数据“0”将SDA拉低，因此就在SDA上形成了宽度很窄的半高电平，就是我们观察到的毛刺。此毛刺不会I2C总线的读写时序产生影响。无需处理。
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I2C总线详细介绍
I2C是一种串行总线的外设接口，它采用同步方式串行接收或发送信息，两个设备在同一个时钟下工作。I2C总线只用两根线：串行数据SDA（Serial
Data）、串行时钟SCL（Serial Clock）。
由于I2C只有一根数据线，因此其发送信息和接收信息不能同时进行。信息的发送和接收只能分时进行。I2C串行总线工作时传输速率最高可达400K
bit/s。
I2C总线上的所有器件的SDA线并接在一起，所有器件的SCL线并接在一起，且SDA线和SCL线必须通过上拉电阻连接到正电源。
I2C总线的数据传输协议要比SPI总线复杂一些，因为I2C总线器件没有片选控制线，所以I2C总线数据传输的开始必须由主器件产生通信的开始条件（SCL高电平时，SDA产生负跳变）；通信结束时，由主器件产生通信的结束条件（SCL高电平时，SDA产生正跳变）。
SDA线上的数据在SCL高电平期间必须保持稳定，否则会被误认为开始条件或结束条件，只有在SCL低电平期间才能改变SDA线上的数据。I2C总线的数据传输波形图如下图所示。
I2C应用实例
AT24C系列为美国ATMEL公司推出的串行COMS型E2PROM，具有功耗小，宽电压范围等优点。下图为AT24C系列E2PROM的引脚图。图中A0、A1、A2为器件地址引脚，Vss为地，Vcc为正电源，WP为写保护，SCL为串行时钟线，SDA为串行数据线。AT24C系列E2PROM采用I2C总线，I2C总线上可挂接多个接口器件，在I2C总线上的每个器件应有唯一的器件地址，按I2C总线规则，器件地址为7位二进制数，它与一位数据方向位构成一个器件寻址字节。器件寻址字节的最低位（D0）为方向位（读/写），最高4位（D7~D4）为器件型号地址（不同的I2C总线接口器件的型号地址由厂家给定，AT24C系列E2PROM的型号地址都为1010）；其余3位（D3~D1）与器件引脚地址A2A1A0相对应。器件地址格式：
1010
A2A1A0。
对于E2PROM的片内地址，AT24C01和AT24C02由于芯片容量可用一个字节表示，故读写某个单元前，先向E2PROM写入一个字节的器件地址，再写入一个字节的片内地址。而AT24C04、AT24C08、AT24C16分别需要9位、10位和11位片内地址，所以AT24C04把器件地址中的A0作为片内地址的最高位，AT24C08把器件地址中的A1A0作为片内地址的最高两位，AT24C16把器件地址中的A2A1A0作为片内地址的最高三位。凡在系统中把器件的引脚地址用作片内地址后，该引脚在电路中不得使用，做悬空处理。AT24C32、AT24C64、AT24C128、AT24C256和AT24C512的片内地址采用两个字节。
AT24C系列E2PROM的读写操作原理
下列读写操作中SDA线上数据传送状态标记注释如下：
Start为启动信号（SCL为高电平，SDA产生负跳变），由主机发送。
Stop为结束信号（SCL为高电平，SDA产生正跳变），由主机发送。
AddressByte、AddreeeByte H、AddreeeByte
L为地址字节，指定片内某单元地址，由主机发送。
data为数据字节，由数据发送方发送。
0
为肯定应答信号，由数据接收方发送。
1
为否定应答信号，由数据接收方发送。
主机控制数据线SDA时，在SCL高电平期间必须保持SDA线上的数据稳定，否则会被误认为对从机的起始条件或结束条件。主机只能在SCL低电平期间改变SDA线上的数据。主机写操作期间，用SCL的上升沿写入数据；主机读操作期间，用SCL的下降沿读出数据。
从AT24C系列AT24C01~AT24C16中读n个字节的数据格式：
从AT24C系列AT24C32~AT24C512中读n个字节的数据格式：
向AT24C系列AT24C01~AT24C16中写n个字节的数据格式（n<=页长，且n个字节不能跨页）：
向AT24C系列AT24C32~AT24C512中写n个字节的数据格式（n<=页长，且n个字节不能跨页）：
应答信号
I2C总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须产生一个应答信号。应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已经收到一个8位数据。
I2C器件在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。
I2C器件工作在读模式时，在发送一个8位数据后释放SDA线（SDA置为高电平）并监视一个应答信号，一旦接收到主器件的应答信号，I2C器件则继续发送数据，如果主器件没有发送应答信号（发送非应答信号，即SDA为高电平），器件停止传送数据且等待一个停止信号。