對於嵌入式開發的朋友來說,i2c協議實在是再熟悉不過了,有太多的器件,採用的都是通過i2c來進行相應的設定。今天,我們就隨便聊聊這個i2c協議。
i2c協議中最重要的一點是i2c位址。這個位址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個位址,而在實際使用中基本上不會掛載如此多的設定,所以很多裝置的位址都採用7位,所以本文接下來的說明都是基於此。
i2c還有乙個很重要的概念,就是「主—從」。對於從裝置來說,它是啥都不幹的,更不會自動傳送資料;而主裝置,則是起到控制作用,一切都是從它開始。
除了gnd以外,i2c有兩根線,分別是sda和scl,所有的裝置都是接到這兩根線上。那麼,這些裝置如何知道資料是傳送給它們呢?這就得依靠前面所說到的位址了。裝置i2c的位址是固定的,比如0x50,0x60等等。因為只能有127個位址,位址衝突是很常見的,所以一般裝置都會有乙個位址選擇pin,比如拉高時候為0x50,接地為0x60。如果無論拉高還是接地,都和別的晶元有衝突,那該怎麼辦呢?答案是:涼拌,沒辦法。遇到這種情況,只能換晶元了。
一、概要
i2c匯流排只需要兩條線,一條sda資料線,一條scl時鐘線;根據這兩條線的高低電平、上公升沿、下降沿就可以實現主機與i2c裝置的通訊;其中有:
(1)i2c匯流排相關
傳輸開始條件:scl處於高電平,sda下降沿時;
傳輸接收條件:scl處於高電平,sda上公升沿時;
傳輸資料:開始傳輸後,scl處於高電平時,sda的資料為所傳輸的資料;
正常i2c匯流排的資料是:start + i2c devece id + r/w + ack + data(first byte)+ ack + ... + data(n)+ ack + stop
(2)i2c裝置相關
暫存器reg:一般的i2c裝置晶元都有帶reg,一般在傳輸正式的資料之前需要先傳輸reg位址,比如我的oled來說,在傳控制命令時需要先傳送0x00的reg位址,在傳輸資料時需要傳送0x40的reg位址;
二、除錯及波形分析
一般當我們拿到乙個i2c裝置時,就必須涉及到驅動的編寫,就比如對於oled來說,就要用編寫oled驅動,這樣我們才能控制它,對於oled屏來說,第一步也是最重要的一步就是點亮它;當我們做完這一步,那後面剩下的就只是細節問題了;」萬事開頭難「,這句話真的不假,對於oled來說,如何才能點亮,我們該怎麼除錯呢?當我們寫完oled驅動,但oled屏還是不亮,可能問題會出現在哪?是硬體問題還是軟體問題?;若為軟體問題,那會是i2c匯流排驅動問題,還是我們i2c裝置驅動有問題?那麼我們該如何判斷問題出現位置呢?這就需要我們對i2c匯流排上的資料進行分析;那麼下面我將詳細講述如何獲取和分析i2c匯流排上的資料;
(1)示波器
對於i2c匯流排的資料,我們要用到示波器,這樣我們才能抓取到訊號,而且必須同時採集sda和scl的資料;該如何抓取呢?我這邊的方式是將示波器調成邊下降沿觸發模式(因為開始訊號是sda下降沿),並且設定成單次模式(這樣抓取完一次就會stop,便於我們資料分析);
(2)波形
我們來看i2c協議中的資料傳輸時序圖:
scl是時鐘,sda承載的是資料。當sda從1變動到0,而scl還是1時,表示開始資料傳輸。接下來的7位,就是裝置的位址。緊接著的是讀寫標誌,其為1時是讀取,為0則是寫。如果i2c匯流排上存在著和請求的位址相對應的裝置,則從裝置會傳送乙個ack訊號通知主裝置,可以傳送資料了。接到ack訊號後,主裝置則傳送乙個8位的資料。當傳輸完畢之後,scl保持為1,sda從0變換到1時,標明傳輸結束。
從這個時序圖中可以看到,scl很重要,並且哪個時鐘沿是幹嘛的,都是確定好的。比如,前面7個必定是位址,第8個是讀寫標誌,資料傳輸必須是8位,必須接個ack訊號等等。
前面的時序圖並沒有標明資料傳輸的方向,我們現在看看寫操作的資料流向:
網格的是主裝置傳送的,白色格仔是從裝置傳送的。從圖示中可以看到,對於寫操作,從裝置都只是傳送ack進行確認而已。
而讀操作的資料流向,就有所不同,如圖:
這時候,從裝置除了傳送ack以外,緊跟著的還有資料。
我們用示波器來檢視波形圖,以便於理解。
將示波器的x和y分別接到sda和scl,得到波形並分析如圖:
i2c要求要有乙個主裝置,負責發起請求和控制時鐘;其它為從裝置,通過裝置id位址來識別並響應主裝置請求。主從裝置要輪流控制sda。一開始我沒搞明白這一點,直接加了寫i2c資料**,然後用示波器在sda和scl腳測量,卻只能找到些凌亂的波形,沒有預期的效果。後來把從裝置接上,兩邊寫好**,互相有了響應,這才在示波器上看到波形。
這裡我找了乙個主裝置往從裝置寫資料的例子,**如下:
char buf[128];
int len;
strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");
len=strlen(buf);
//deviceid: 0x3c
write_i2c(0x3c, buf , len);
接收端的**比較簡單,就不貼了。
將示波器的x和y分別接到sda和scl,得到波形並分析如圖:
從圖中可知時序如下:
由主機發起,在scl為高電平時,sda由高到低切變,形成開始訊號;
接著是7位位址和一位讀寫標誌,這裡7位位址為0111100,即0x3c,正是我們**中設定的位址id;最後一位為0表示寫操作;
接著在下乙個時鐘,主機以高電平狀態釋放sda,這時從機響應,將sda拉低了;
接著是兩個8位資料00101110與響應,即0x2e,正是「.」號的ascii碼,符合預期輸出;
還有其它資料和最後的停止位,圖中被截掉了。
從圖中可知,縱向一格是200mv,則sda和scl的電平大概就是350mv;由於訊號筆上設定了訊號x10,因此實際電平應該大概是3.5v(理論上應該是3.3v)。橫向一格是25us,10個時鐘週期大概用了4格,即4x25us=100us,平均每個時鐘週期是10us,可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s,即100k bps。
另外,對於讀從裝置內容,基本流程是主裝置先往從裝置寫乙個命令,然後再輸出讀取命令,然後才由從裝置傳送資料。過程類似,不再具體分析了。
下圖示例中,主機先向從機寫了乙個位址命令,然後重新開始並進入讀取週期。
分析波形可檢測出i2c通訊工作是否正常,是否符合預期,對我們程式設計除錯診斷有輔助作用
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