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再次学习I2C总线时序以及ACK和NACK(NAK,NCK)

2022-03-10     loonlog     3782     1

本文目录

平时工作中需要应对工作进度,节点,板子能运行,测试信号没问题就万事大吉了,很少去深究通信协议,因为本来之前是了解的,只是时间久了也记不太清楚,变成了似懂非懂,当板子或者软件调试不通的时候,就要去获取信号波形,看质量和通信内容,特别是看对方是否回复ACK,NACK,至少都能判断硬件是否工作等。趁着这次查找问题的机会,再次熟悉以下I2C的通信协议。

I2C是由Philips公司发明的一种串行数据通信协议,仅使用两根信号线:SerialClock(简称SCL)和SerialData(简称SDA)。I2C是总线结构,1个Master,1个或多个Slave,各Slave设备以7位地址区分,地址后面再跟1位读写位,表示读(=1)或者写(=0),所以我们有时也可看到8位形式的设备地址,此时每个设备有读、写两个地址,高7位地址其实是相同的。

I2C数据格式如下:

无数据:SCL=1,SDA=1;

开始位(Start):当SCL=1时,SDA由1向0跳变;

停止位(Stop):当SCL=1时,SDA由0向1跳变;

数据位:当SCL由0向1跳变时,由发送方控制SDA,此时SDA为有效数据,不可随意改变SDA;

当SCL保持为0时,SDA上的数据可随意改变;

地址位:定义同数据位,但只由Master发给Slave;

应答位(ACK):当发送方传送完8位时,发送方释放SDA,由接收方控制SDA,且SDA=0;

否应答位(NACK):当发送方传送完8位时,发送方释放SDA,由接收方控制SDA,且SDA=1。

当数据为单字节传送时,格式为:

开始位,8位地址位(含1位读写位),应答,8位数据,应答,停止位。

当数据为一串字节传送时,格式为:

开始位,8位地址位(含1位读写位),应答,8位数据,应答,8位数据,应答,……,8位数据,应答,停止位。

需要注意的是:

1,SCL一直由Master控制,SDA依照数据传送的方向,读数据时由Slave控制SDA,写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后,应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。

2,开始位“Start”和停止位“Stop”,只能由Master来发出。

3,地址的8位传送完毕后,成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时,将放弃数据传送,发送“Stop”。

4,当写数据的时候,Master每发送完8个数据位,Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”,Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”,Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时,此时Master放弃数据传送,发送“Stop”。

5,当读数据的时候,Slave设备每发送完8个数据位,如果Master希望继续读下一个字节,Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据,如果Master不希望读取更多字节,Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。

6,当Master速度过快Slave端来不及处理时,Slave设备可以拉低SCL不放(SCL=0将发生“线与”)以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

在实际应用中,并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应,尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下,编程者可以事先约定数据传送的长度,slave不检查NACK,有时可以起到减少系统开销的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要标准的NACK,master方是GPIO软件模拟i2c并没有正确的发送NACK,就会出现“slave收不到stop”导致i2c挂死。

 

 在正常情况下,I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是,当I2C主设备异常复位时(看门狗动作,板上电源异常导致复位芯片动作,手动按钮复位等等)有可能导致I2C总线死锁产生。下面详细说明一下总线死锁产生的原因。

在I2C主设备进行读写操作的过程中,主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲,然后拉低SCL信号为低电平,在这个时候,从设备输出应答信号,将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位,SCL就会被释放为高电平。此时,如果从设备没有复位,就会继续I2C的应答,将SDA一直拉为低电平,直到SCL变为低电平,才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说,复位后检测SCL和SDA信号,如果发现SDA信号为低电平,则会认为I2C总线被占用,会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样,I2C主设备等待从设备释放SDA信号,而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号,两者相互等待,I2C总线进人一种死锁状态。同样,当I2C进行读操作,I2C从设备应答后输出数据,如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0,也会导致I2C总线进入死锁状态。


方法


    (1)尽量选用带复位输人的I2C从器件。

    (2)将所有的从I2C设备的电源连接在一起,通过MOS管连接到主电源,而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。

    (3)在I2C从设备设计看门狗的功能。

    (4)在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序。

        每次I2C主设备复位后,如果检测到SDA数据线被拉低,则控制I2C中的SCL时钟线产生9个时钟脉冲(针对8位数据的情况,“9个clk可以激活”的方法来自NXP的文档,NXP(Philips)作为I2C总线的鼻祖,这样的说法是可信的),这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作,从死锁状态中恢复过来。

        这种方法有很大的局限性,因为大部分主设备的I2C模块由内置的硬件电路来实现,软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲。

        或者,发送I2C_Stop条件也能让从设备释放总线。

        如果是GPIO模拟I2C总线实现,那么在I2C操作之前,加入I2C总线状态检测I2C_Probe,如果总线被占用,则可尝试恢复总线,待总线释放后,再进行操作。要保证I2C操作最小单元的完整性,不被其他事件(中断、高优先级线程,等)打断。

    (5)在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时,就在SCL总线上产生9个时钟脉冲,使I2C从设备完成读操作,从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能,一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。

    (6)在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器,如Linear公司的LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器,并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输入侧连接主设备,总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时,就自动断开I2C总线输入侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后,LTC4307会再次连接输入输出侧,使总线能够正常工作。


使用了STC12LE5206AD芯片


/* 
 I2C.h 
 标准80C51单片机模拟I2C总线的主机程序头文件 
*/  
  
  
#ifndef _I2C_H_  
#define _I2C_H_  
  
  
#include "stc_new_8051.h"  
#include "common.h"  
  
  
//模拟I2C总线的引脚定义  
//sbit I2C_SCL = SMBUS_SCL;  
//sbit I2C_SDA = SMBUS_SDA;  
#define I2C_SCL  SMBUS_SCL  
#define I2C_SDA  SMBUS_SDA  
  
  
//定义I2C总线时钟的延时值,要根据实际情况修改,取值1~255  
//SCL信号周期约为(I2C_DELAY_VALUE*4+15)个机器周期  
#define I2C_DELAY_VALUE  20  
  
  
//定义I2C总线停止后在下一次开始之前的等待时间,取值1~65535  
//等待时间约为(I2C_STOP_WAIT_VALUE*8)个机器周期  
//对于多数器件取值为1即可;但对于某些器件来说,较长的延时是必须的  
#define I2C_STOP_WAIT_VALUE 20  
  
  
//I2C总线初始化,使总线处于空闲状态  
void I2C_Init();  
  
  
//主机通过I2C总线向从机发送多个字节的数据  
bit I2C_Puts(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, char *dat);  
  
  
//主机通过I2C总线向从机发送1个字节的数据  
bit I2C_Put(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, char dat);  
  
  
//主机通过I2C总线从从机接收多个字节的数据  
bit I2C_Gets(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, unsigned char *dat);  
  
  
//主机通过I2C总线从从机接收1个字节的数据  
bit I2C_Get(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char *dat);  
  
  
#endif //_I2C_H_



/* 
 I2C.c 
 标准80C51单片机模拟I2C总线的主机程序 
 
*/  
  
  
#include "I2C.h"  
  
  
//定义延时变量,用于宏I2C_Delay()  
unsigned char data I2C_Delay_t;  
  
/* 
宏定义:I2C_Delay() 
功能:延时,模拟I2C总线专用 
*/  
#define I2C_Delay()\  
{\  
 I2C_Delay_t = (I2C_DELAY_VALUE);\  
 while ( --I2C_Delay_t != 0 );\  
}  
  
//void uart_flag(void)  
//{  
// UART_TXD=1;  
// UART_TXD=0;  
// UART_TXD=1;  
//}  
/* 
函数:I2C_Init() 
功能:I2C总线初始化,使总线处于空闲状态 
说明:在main()函数的开始处,通常应当要执行一次本函数 
*/  
void I2C_Init()  
{  
 I2C_SCL = 1;  
 I2C_Delay();  
 I2C_SDA = 1;  
 I2C_Delay();  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Start() 
功能:产生I2C总线的起始状态 
说明: 
 SCL处于高电平期间,当SDA出现下降沿时启动I2C总线 
 不论SDA和SCL处于什么电平状态,本函数总能正确产生起始状态 
 本函数也可以用来产生重复起始状态 
 本函数执行后,I2C总线处于忙状态 
*/  
void I2C_Start()  
{  
 EA=0;  
  
 I2C_SCL = 1;  
 I2C_Delay();  
 I2C_SDA = 1;  
 I2C_Delay();  //起始条件建立时间大于4.7us延时  
 I2C_SDA = 0;  //发送起始信号  
 I2C_Delay();  
 I2C_SCL = 0;  //钳住I2C总线,准备发送或接收数据  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
}  
  
/* 
函数:I2C_Stop() 
功能:产生I2C总线的停止状态 
说明: 
 SCL处于高电平期间,当SDA出现上升沿时停止I2C总线 
 不论SDA和SCL处于什么电平状态,本函数总能正确产生停止状态 
 本函数执行后,I2C总线处于空闲状态 
*/  
void I2C_Stop()  
{  
 unsigned int t = I2C_STOP_WAIT_VALUE;  
  
 I2C_SDA = 0;  //发送结束条件的数据信号  
 I2C_Delay();  
  
 I2C_SCL = 1;  //发送结束条件的时钟信号  
 I2C_Delay();  
 I2C_SDA = 1;  //发送I2C总线结束信号  
 I2C_Delay();  
 EA=1;  
 while ( --t != 0 );  //在下一次产生Start之前,要加一定的延时  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Write() 
功能:向I2C总线写1个字节的数据 
参数: 
 dat:要写到总线上的数据 
*/  
void I2C_Write(unsigned char dat)  
{  
  /*发送1,在SCL为高电平时使SDA信号为高*/  
  /*发送0,在SCL为高电平时使SDA信号为低*/  
 unsigned char t ;  
 for(t=0;t<8;t++)  
 {  
  
  I2C_SDA = (bit)(dat & 0x80);  
  I2C_Delay();  
  I2C_SCL = 1;  //置时钟线为高,通知被控器开始接收数据位  
  I2C_Delay();  
  I2C_SCL = 0;    
  I2C_Delay();  
  dat <<= 1;  
 }  
  
  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Read() 
功能:从从机读取1个字节的数据 
返回:读取的一个字节数据 
*/  
unsigned char I2C_Read()  
{  
 unsigned char dat=0;  
 unsigned char t ;  
 bit temp;  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
 I2C_SDA = 1; //在读取数据之前,要把SDA拉高  
  
 I2C_Delay();  
   
 for(t=0;t<8;t++)  
 {  
  I2C_SCL = 0; /*接受数据*/  
  I2C_Delay();  
  I2C_SCL = 1;//置时钟线为高使数据线上升沿数据有效  
  I2C_Delay();  
  temp = I2C_SDA;  
  dat <<=1;  
  if (temp==1) dat |= 0x01;     
 }  
   
  I2C_SCL = 0;  
  I2C_Delay();  
  
 return dat;  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_GetAck() 
功能:读取从机应答位 
返回: 
 0:从机应答 
 1:从机非应答 
说明: 
 从机在收到每个字节的数据后,要产生应答位 
 从机在收到最后1个字节的数据后,一般要产生非应答位 
*/  
bit I2C_GetAck()  
{  
 bit ack;  
 unsigned char Error_time=255;  
  
    I2C_Delay();    
 I2C_SDA = 1; /*8位发送完后释放数据线,准备接收应答位 释放总线*/  
 I2C_Delay();  
 I2C_SCL = 1; /*接受数据*/  
 I2C_Delay();  
 do  
 {    
  ack = I2C_SDA;  
    Error_time--;  
   if(Error_time==0)  
   {  
     I2C_SCL = 0;  
   I2C_Delay();  
   return 1;  
   }  
 }while(ack);   //判断是否接收到应答信号  
  
  
 I2C_SCL = 0;  //清时钟线,钳住I2C总线以便继续接收  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
 return 0;  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_PutAck() 
功能:主机产生应答位或非应答位 
参数: 
 ack=0:主机产生应答位 
 ack=1:主机产生非应答位 
说明: 
 主机在接收完每一个字节的数据后,都应当产生应答位 
 主机在接收完最后一个字节的数据后,应当产生非应答位 
*/  
void I2C_PutAck(bit ack)  
{  
  
 I2C_SDA = ack;  //在此发出应答或非应答信号  
 I2C_Delay();  
 I2C_SCL = 1;   //应答  
 I2C_Delay();   
  
 I2C_SCL = 0;  //清时钟线,钳住I2C总线以便继续接收  ,继续占用  
 I2C_Delay();  //等待时钟线的释放  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
 I2C_Delay();  
  
}  
  
   
  
  
/* 
函数:I2C_Puts() 
功能:主机通过I2C总线向从机发送多个字节的数据 
参数: 
 SlaveAddr:从机地址(高7位是从机地址,最低位是写标志0) 
 SubAddr:从机的子地址 
 Size:数据的字节数 
 *dat:要发送的数据 
返回: 
 0:发送成功 
 1:在发送过程中出现异常 
*/  
bit I2C_Puts(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, char *dat)  
{  
//检查长度  
 if ( Size == 0 ) return 0;  
//确保从机地址最低位是0  
 SlaveAddr &= 0xFE;  
//启动I2C总线  
 I2C_Start();  
//发送从机地址  
 I2C_Write(SlaveAddr);  
 if ( I2C_GetAck() )  
 {  
  I2C_Stop();  
  return 1;  
 }  
//发送子地址  
 I2C_Write(SubAddr);  
 if ( I2C_GetAck() )  
 {  
  I2C_Stop();  
  return 1;  
 }  
//发送数据  
 do  
 {  
  I2C_Write(*dat++);  
  if ( I2C_GetAck() )  
  {  
   I2C_Stop();  
   return 1;  
  }  
 } while ( --Size != 0 );  
//发送完毕,停止I2C总线,并返回结果  
 I2C_Stop();  
 return 0;  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Put() 
功能:主机通过I2C总线向从机发送1个字节的数据 
参数: 
 SlaveAddr:从机地址(高7位是从机地址,最低位是写标志0) 
 SubAddr:从机的子地址 
 dat:要发送的数据 
返回: 
 0:发送成功 
 1:在发送过程中出现异常 
*/  
bit I2C_Put(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, char dat)  
{  
 return I2C_Puts(SlaveAddr,SubAddr,1,&dat);  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Gets() 
功能:主机通过I2C总线从从机接收多个字节的数据 
参数: 
 SlaveAddr:从机地址(高7位是从机地址,最低位是读标志1) 
 SubAddr:从机的子地址 
 Size:数据的字节数 
 *dat:保存接收到的数据 
返回: 
 0:接收成功 
 1:在接收过程中出现异常 
*/  
bit I2C_Gets(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, unsigned char *dat)  
{  
  
//检查长度  
 if ( Size == 0 ) return 0;  
//确保从机地址最低位是0  
 SlaveAddr &= 0xFE; //确保最低位是0  
//启动I2C总线  
 I2C_Start();  
//发送从机地址  
 I2C_Write(SlaveAddr);  
 if ( I2C_GetAck() )  
 {  
  I2C_Stop();  
  return 1;  
 }  
//发送子地址  
 I2C_Write(SubAddr);  
 if ( I2C_GetAck() )  
 {  
  I2C_Stop();  
  return 1;  
 }  
//发送重复起始条件  
 I2C_Start();  
//发送从机地址  
 SlaveAddr |= 0x01;  
 I2C_Write(SlaveAddr);  
 if ( I2C_GetAck() )  
 {  
  I2C_Stop();  
  return 1;  
 }  
//接收数据  
 for (;;)  
 {  
  *dat++ = I2C_Read();  
  if ( --Size == 0 )  
  {  
   I2C_PutAck(1);  
   break;  
  }  
  I2C_PutAck(0);  
 }  
  
//接收完毕,停止I2C总线,并返回结果  
 I2C_Stop();  
 return 0;  
}  
  
  
/* 
函数:I2C_Get() 
功能:主机通过I2C总线从从机接收1个字节的数据 
参数: 
 SlaveAddr:从机地址(高7位是从机地址,最低位是读标志1) 
 SubAddr:从机的子地址 
 *dat:保存接收到的数据 
返回: 
 0:接收成功 
 1:在接收过程中出现异常 
*/  
bit I2C_Get(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char *dat)  
{  
 return I2C_Gets(SlaveAddr,SubAddr,1,dat);  
}



本文拷贝:https://blog.csdn.net/xiaoshengqdlg/article/details/54311382

电子电路

再次学习I2C总线时序以及ACK和NACK(NAK,NCK)
http://loonlog.com/2022/3/10/about-i2c-ack-nack-nak-nck/
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