用示波器對(duì)單片機(jī)I2C時(shí)序進(jìn)行圖形波形分析的試驗(yàn)小結(jié)

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對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)的朋友來(lái)說(shuō)，I2C協(xié)議實(shí)在是再熟悉不過(guò)了，有太多的器件，采用的都是通過(guò)I2C來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。今天，我們就隨便聊聊這個(gè)I2C協(xié)議。

I2C協(xié)議中最重要的一點(diǎn)是I2C地址。這個(gè)地址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個(gè)地址，而在實(shí)際使用中基本上不會(huì)掛載如此多的設(shè)置，所以很多設(shè)備的地址都采用7位，所以本文接下來(lái)的說(shuō)明都是基于此。

I2C還有一個(gè)很重要的概念，就是“主—從”。對(duì)于從設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是啥都不干的，更不會(huì)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)；而主設(shè)備，則是起到控制作用，一切都是從它開(kāi)始。

除了GND以外，I2C有兩根線(xiàn)，分別是SDA和SCL，所有的設(shè)備都是接到這兩根線(xiàn)上。那么，這些設(shè)備如何知道數(shù)據(jù)是發(fā)送給它們呢？這就得依靠前面所說(shuō)到的地址了。設(shè)備I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因?yàn)橹荒苡?27個(gè)地址，地址沖突是很常見(jiàn)的，所以一般設(shè)備都會(huì)有一個(gè)地址選擇PIN，比如拉高時(shí)候?yàn)?x50，接地為0x60。如果無(wú)論拉高還是接地，都和別的芯片有沖突，那該怎么辦呢？答案是：涼拌，沒(méi)辦法。遇到這種情況，只能換芯片了。

我們來(lái)看I2C協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖：

SCL是時(shí)鐘，SDA承載的是數(shù)據(jù)。當(dāng)SDA從1變動(dòng)到0，而SCL還是1時(shí)，表示開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。接下來(lái)的7位，就是設(shè)備的地址。緊接著的是讀寫(xiě)標(biāo)志，其為1時(shí)是讀取，為0則是寫(xiě)。如果I2C總線(xiàn)上存在著和請(qǐng)求的地址相對(duì)應(yīng)的設(shè)備，則從設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK信號(hào)通知主設(shè)備，可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。接到ACK信號(hào)后，主設(shè)備則發(fā)送一個(gè)8位的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸完畢之后，SCL保持為1，SDA從0變換到1時(shí)，標(biāo)明傳輸結(jié)束。

從這個(gè)時(shí)序圖中可以看到，SCL很重要，并且哪個(gè)時(shí)鐘沿是干嘛的，都是確定好的。比如，前面7個(gè)必定是地址，第8個(gè)是讀寫(xiě)標(biāo)志，數(shù)據(jù)傳輸必須是8位，必須接個(gè)ACK信號(hào)等等。

前面的時(shí)序圖并沒(méi)有標(biāo)明數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍覀儸F(xiàn)在看看寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)流向：

網(wǎng)格的是主設(shè)備發(fā)送的，白色格子是從設(shè)備發(fā)送的。從圖示中可以看到，對(duì)于寫(xiě)操作，從設(shè)備都只是發(fā)送ACK進(jìn)行確認(rèn)而已。

而讀操作的數(shù)據(jù)流向，就有所不同，如圖：

這時(shí)候，從設(shè)備除了發(fā)送ACK以外，緊跟著的還有數(shù)據(jù)。

我們用示波器來(lái)查看波形圖，以便于理解。

將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖:

I2C的概念原理網(wǎng)上都有就不說(shuō)了，這里只把我把兩個(gè)開(kāi)發(fā)板通過(guò)I2C通訊的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)記錄分享一下。

I2C要求要有一個(gè)主設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)起請(qǐng)求和控制時(shí)鐘；其它為從設(shè)備，通過(guò)設(shè)備ID地址來(lái)識(shí)別并響應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求。主從設(shè)備要輪流控制SDA。一開(kāi)始我沒(méi)搞明白這一點(diǎn)，直接加了寫(xiě)I2C數(shù)據(jù)代碼，然后用示波器在SDA和SCL腳測(cè)量，卻只能找到些凌亂的波形，沒(méi)有預(yù)期的效果。后來(lái)把從設(shè)備接上，兩邊寫(xiě)好代碼，互相有了響應(yīng)，這才在示波器上看到波形。

這里我找了一個(gè)主設(shè)備往從設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)的例子，代碼如下：

char buf[128];

int len;

strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");

len=strlen(buf);

//deviceid: 0x3c

write_i2c(0x3c, buf , len);

接收端的代碼比較簡(jiǎn)單，就不貼了。

將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖：

從圖中可知時(shí)序如下：

1. 由主機(jī)發(fā)起，在SCL為高電平時(shí)，SDA由高到低切變，形成開(kāi)始信號(hào)；

2. 接著是7位地址和一位讀寫(xiě)標(biāo)志，這里7位地址為0111100，即0x3c，正是我們代碼中設(shè)置的地址ID；最后一位為0表示寫(xiě)操作；

3. 接著在下一個(gè)時(shí)鐘，主機(jī)以高電平狀態(tài)釋放SDA，這時(shí)從機(jī)響應(yīng)，將SDA拉低了；

4. 接著是兩個(gè)8位數(shù)據(jù)00101110與響應(yīng)，即0x2E，正是“.”號(hào)的ASCII碼，符合預(yù)期輸出；

5. 還有其它數(shù)據(jù)和最后的停止位，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；由于信號(hào)筆上設(shè)置了信號(hào)x10，因此實(shí)際電平應(yīng)該大概是3.5V（理論上應(yīng)該是3.3V）。橫向一格是25us，10個(gè)時(shí)鐘周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每個(gè)時(shí)鐘周期是10us，可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s，即100k bps。

另外，對(duì)于讀從設(shè)備內(nèi)容，基本流程是主設(shè)備先往從設(shè)備寫(xiě)一個(gè)命令，然后再輸出讀取命令，然后才由從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。過(guò)程類(lèi)似，不再具體分析了。

下圖示例中，主機(jī)先向從機(jī)寫(xiě)了一個(gè)地址命令，然后重新開(kāi)始并進(jìn)入讀取周期。

分析波形可檢測(cè)出I2C通信工作是否正常，是否符合預(yù)期，對(duì)我們編程調(diào)試診斷有輔助作用。