一、IIC总线协议概述

（1）IIC（Inter-IntegratedCircuit）总线

• 是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。
• IIC也被成为I2C/I²C，其实两者是完全相同的，只是名词不一样而已
• 它是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据

（2）IIC总线的物理层和协议层

• 物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输
• 协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准
  

（3）特点

1. 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机
2. 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步
3. 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
4. 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
5. 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线
6. 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit／s，快速模式为400kbit／s，高速模式下可达3.4Mbit／s，但目前大多12C设备尚不支持高速模式。

二、IIC总线通讯的数据帧格式

（1）IIC总线通讯的数据帧格式：写操作

S为起始信号，SLAVEADDRESS从机地址（7bit）＋W（0）一共8位，有阴影的部分是主机发送的，而没有阴影部分是从机发送到主机的，A／A（0／1），P代表停止信号

主机I2C接口产生传输起始信号S→广播从机地址→传输方向选择→接受到应答信号ACK→向从机传输数据DATA→等待从机的应答信号ACK→重复之前过程→发送停止传输信号P。

（2）IIC总线通讯的数据帧格式：读操作

S为起始信号，SLAVEADDRESS从机地址（7bit）＋R（1）一共8位，有阴影的部分是主机发送的，而没有阴影部分是从机发送到主机的，A（应答）／A（0／1），P代表停止信号。

注意：假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（nbyte＋应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。

主机I2C接口产生传输起始信号S→广播从机地址→传输方向选择→接受到应答信号ACK←从机向主机返回数据DATA←等待主机的应答信号ACK←重复之前过程←停止传输P。

（3）IIC总线通讯的数据帧格式：读和写数据

除了基本的读写，IIC通讯更常用的是复合格式，该传输过程有两次起始信号（S）

一般在第一次传输中，主机通过SLAVE＿ADDRESS寻找到从机设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址；

在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

三、IIC总线通讯时序

（1）I2C数据的有效性（数据的传输）

1. 使用SDA信号线来传输数据
2. 使用SCL信号线进行数据同步
3. SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候，SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平表示数据“0”。
4. 当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
   

（2）I2C通讯的起始和停止信号

• 当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。
• 当SCL现是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。
• 起始和停止信号一般由主机产生。

（3）I2C通讯的响应

• 传输时，主机产生时钟，在第九个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号（NACK），低电平表示应答信号（ACK）;
• 当设备（无论主从机）接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发生“应答（ACK）”信号；若接收端希望结束数据传输，则向对方发生“非应答（NACK）”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

四、基于IIC总线的E2PROM-AT24C02

（1）E2PROM概述：
 

EEPROM （Electrically Erasable Programmable read only memory）是指带电可擦可编程只读存储器，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。

（2）AT24C02简介

AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节。该器件通过IIC总线接口进行操作，且有一个专门的写保护功能。

（3）基于IIC总线的E2PROM-AT24C02的特性

• 与400KHz IIC 总线兼容
• 1.8到6.0伏工作电压范围
• 低功耗CMOS技术
• 写保护功能，当WP为高电平时进入写保护状态
• 页写缓冲器
• 自定时擦写周期
• 1,000,000编程／擦除周期
• 可保存数据100年
• 8脚 DIP SOIC或TSSOP封装
• 温度范围商业级工业级和汽车级。
  

• （4）基于IIC总线的E2PROM-AT24C02的管脚描述

• 管脚名称	功能
  A0、A1、A2	器件地址选择
  SDA	串行数据、地址
  SCL	串行时钟
  WP	写保护
  VCC	＋1.8V～6.0V工作电压
  GND	地

WP 写保护：如果WP管脚连接到Vcc所有的内容都被写保护，只能读；当WP管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读／写操作。

（5）IIC地址及数据方向

I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址（SLAVE＿ADDRESS）来查找从机。

12C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位，第8位或第11位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据

（6）AT24C02设备地址

 

因为单片机上的管脚均接地，所以地址为1K/2K代表的地址。

五、AT24C02数据读写操作

（1）字节写

• 写操作需要在设备地址字确认之后有一个8位的数据字地址
• 一旦收到这个地址，EEPROM将输出一个响应，然后接收到8位数据字后，EEPROM将输出一个响应。
• 如果需要停止数据传输，主机必须用一个停止条件终止写序列。
• 数据写入后，EEPROM进入一个内部计时的写周期，将数据写入到到非易失性存储器。在这个写周期中，所有输入都被禁用，EEPROM直到写完成才会响应。

Figure 8. Byte Write：

（2）页写入

• 1K/2K EEPROM能够进行8字节的页写入;
• 页写的初始化过程与字节写的初始化过程相同。但是微控制器在第一个数据字被写入后并没有发送一个停止条件。相反，在EEPROM 承认接收到第一个数据字之后。该微控制器可以再传输7个数据字。EEPROM在接收到每个数据字后将回一个零响应。“微控制器必须用一个停止条件终止页写序列。当内部生成的字到达页面边界时，下面的字节被放置在同一页面的开头。
• 如果有超过8个数据字传输到 EEPROM，数据字地址将“翻转”，先前的数据将被覆盖。
• 

（3）任意地址读取

• 随机读需要一个“虚拟”字节写序列来加载数据字地址。一旦设备地址字和数据字地址被输入并且被EEPROM 确认微控制器必须产生另一个启动条件，微控制器现在通过发送带读设备地址来启动当前读地址。令EEPROM 确认设备地址并报出数据字。微控制器后跟随停止条件结束。

（4）读写时间周期范围

符号	参数	1.8 V,2.5V		4.5V~5.5V		单位
		最小	最大	最小	最大
FscL	时钟频率		100		400	KHz
T1	SCL，SDA输入的噪声抑制时间		200		200	ns
tAA	SCL 变低至SDA数据输出及应答信号		3.5		1	us
tBUF	新的发送开始前总线空闲时间	4.7		1.2		μs
LHD:STA	起始信号保持时间	4		0.6		μs
tLow	时钟低电平周期	4.7		1.2		μs
LHIGH	时钟高电平周期	4		0.6		us
tSU:STA	起始信号建立时间	4.7		0.6		μs
tHD:DAT	数据输入保持时间	0		0		ns
tsut:DAT	数据输入建立时间	50		50		ns
tR	SDA及SCL上升时间		1		0.3	μs
tF	SDA及SCL下降时间	5	300		300	ns
tsu:STO	停止信号建立时间	4		0.6		μs
DH	数据输出保持时间	100		100		ns

（5）任意地址读取总结

• 1、主控器发出起始信号
• 2、主控器发出寻址字节(写);
• 3、被控器做出应答后;
• 4、主控器发出地址字节(写);
• 5、被控器做出应答后;
• 6、主控器发出停止信号
• 7、主控器发出起始信号;
• 8、主控器发出寻址字节(读);
• 9、被控器做出应答后;
• 10、主控器从被控器读出数据字节，主控器发出应答;
• 11、主控器发出停止信号: