如何在M68HC08、HCS08和HCS12 微控制器上应用IIC

文件编号：AN3291 第1版，03/2007

如何在M68HC08、HCS08和HCS12微控制器上应用IIC模块

作者：　Stanislav Arendarik

应用工程师

捷克共和国，罗夫

1 简介…………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 1

此应用笔记是如何在飞思卡尔的微控制器上应

2 IIC 总线摘要………….. . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

用IIC模块的一个示例。IIC模块可以分别在主2.1 IIC总线术语.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 位传输. ………….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 2

模式或从模式下使用。在这种情况下，由于IIC

2.3 起始条件和停止条件 (START and STOP Conditions)...... . 3

总线主要用于在微控制器（MCU）和IIC外设之2.4 总线通信. . ……………………….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.5 控制字节………………………. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 3

间的通信，因此在主模式时与串行EEPROM进

2.6 地址字节……….... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

行通信。IIC总线可以在两个微控制器（MCU）2.7 应答………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4

2.8 读/写格式………………………………......…..…... . . . . . . .. 5

之间直接进行通信，然而SPI总线却更适用于

这种应用。 3 用于微控制器的IIC软件程序. ………. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 IIC的初始化 . … . . . …….. . . . . . . . . .. .. . . . .. .. .. . . . . . . . 6

此应用笔记总结了通用IIC总线状态和定义，并 3.2 写入功能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . 7

3.3 读取功能 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. . . . . . . . . 9

提供了如何与串行EEPROM进行通信的示例 3.4 中断应用举例. . . . . . ……………. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 13 （24C16和24C512）。您可以轻松地用另外一个 3.4.1 MCU作为主机.. . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4.2 MCU作为从机. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 16

IIC器件取代EEPROM，但是必须改变将其标识 为从器件的IIC地址字节。 4 结论. . . ……... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . .. . . 17

1 简介

目录

Specifications and information herein are subject to change without notice. ©Freescale Semiconductor，Inc., 2007. All rights reserved. General Business Information

IIC总线摘要

2 IIC 总线摘要

IIC总线是基于主机和从机间线与（开漏）连接的双向、两线式总线。为实现正确的功能，需要使用上拉电阻。每次数据的传输都由主机发出，并且得到从机的应答或响应。

2.1 IIC总线术语

下面是在这个应用笔记中使用到的IIC总线术语：

• • • • •

发送器（Transmitter）- 发送数据到总线的器件。一个发送器可以根据自身要求，将数据

置于总线上（主发送器），或者对来自另外一个器件的数据请求进行响应（从发送器）。 接收器（Receiver）- 从总线接收数据的器件。

主机（Master）- 初始化传输，产生时钟信号和终止传输的器件。一个主机可以被当作一个接受器或发射器。

从机（Slave）- 由主机寻址的器件。从机可能成为接收器或发送器。

多主机（Multi-master）- 不止一个的主机可以共存于一个总线上，而不产生冲突或数据丢失。

• 仲裁（Arbitration）- 预先设定程序，一次授权一个主机来控制总线。 • • •

同步（Synchronization）- 预先设定程序，使两个或更多主机所提供的时钟信号同步。 SDA - 数据信号线（串行数据）。 SCL - 时钟信号线（串行时钟）。

SDA和SCL是通过一个电流源或上拉电阻与正电源相连接的双向信号线。当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平。在标准模式下，IIC总线上的数据能以高达100kbit/S的速度传输，在快速模式下传输速度为400kbit/s，在高速模式下则高达3.4Mbit/s。与总线连接的器件数量仅取决于总线电容，其限度为400pF。

2.2

位传输

SDA线上的数据必须在时钟处于高电平期间保持稳定。在SCL线上的时钟信号处于低电平时，SDA线的高电平状态或低电平状态才能产生变化。（见图1）

图1: 位传输

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IIC总线摘要

2.3 起始条件和停止条件(START and STOP Conditions)

在IIC总线程序内出现的一种独特的状态，被定义为起始条件和停止条件(START and STOP Conditions)（见图2）。当SCL线处于高电平时，SDA线从高电平向低电平跳变时定义为起始（START）条件。当SCL线处于高电平时， SDA线从低电平向高电平跳变时为停止（STOP）条件。起始（START）条件和停止（STOP）条件只能由主机产生。如果在起始（START）之前和停止（STOP）条件之后SDA和SCL线保持在一个高电平，那么总线将是空闲的。

图2: 起始条件和停止条件

2.4 总线通信

总线传输协议是　基于一个起　始　于应答位（ACK）信号的字节传输之上。字节传输从最高位（MSB）开始，到最低位结束（LSB）。传输的每位都由SCL正时钟脉冲计数。第9个SCL脉冲为ACK位。 每个总线传输都由主机发起，主机将起始（START）条件发给总线。而连续的下一个字节序列取决于通过IIC总线传输的数据。

2.5 控制字节

控制字节总是跟随于起始（START）状态。控制字节选择并激活总线上特定的器件；见图3的控制字节结构。前四位是从机的控制代码。例如，串行EEPROM的控制字节是A0（控制代码是二进制的“1010”）。接下来的三位是对连接在总线上的EEPROM芯片的片选信号。EEPROM使用这三位进行多器件操作，但是如果内存地址字节位数大于8位或16位，它们将被用作内部EEPROM地址的更高位。这个地址取决于EEPROM的容量。例如，如果容量处于16kbits的范围内，这三个字节将是地址中最高的三位。

第8位是R/W（读取/写入）位。这一位决定了对从机所请求的操作：

• •

如果字节为0，就意味着处于写入操作状态。 如果字节为1，就意味着处于读取操作状态。

第九位是ACK位，并且它总是由从机产生。

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IIC总线摘要

图3: 控制字节结构

2.6 地址字节

地址字节将地址信息带给从机。这个字节决定了在EEPROM中的实际地址，将向这个地址读取或写入数据。地址信息结构取决于所连接的EEPROM的容量。高达16kbits的EEPROM使用单地址字节，但是具有更高容量的EEPROM使用双字节地址（地址H和地址L）。首先发送地址H。图4显示了单字节地址的地址字节结构，图5中显示双字节地址的地址字节结构。EEPROM型24C16和24C512作为通信器件使用。

图4: 单字节地址IIC写入格式

图5：双字节地址IIC写入格式

2.7 应答

在SCL线上的第9脉冲期间，应答位（ACK）在SDA线上是低电平脉冲。SCL脉冲总是由主机产生。接收器产生ACK脉冲。这就意味着在写操作中，在每一个字节被传输之后，从机发出ACK信号。在读操作中，当控制字节和地址字节由主机发出时，从机发出ACK信号；当主机接收来自从机的数据时，主机将会发出ACK信号。

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用于微控制器的IIC软件程序

2.8

• •

读取/写入格式

在从机中读取数据 将数据写入从机

在IIC总线上有两种数据传输：

当执行写入操作时，一个数据字节将紧随地址字节之后。这个数据字节包括了在地址字节中将被写入地址中的实际数据；见图4和图5。 当读取操作执行通信协议的第一部分时：

1. 主机将实际地址写入从机。

2. 主机将重复的起始（START）条件发送到总线，带有一个等于1的读取/写入模式的控制字节。 3. 从机发送ACK并且立即发送实际要求的数据。 见图6的读取操作结构。

图6：读取操作结构

见图4、图5和图6中的读取字节和写入字节操作。第二种数据传输采用页写入和页读取的形式。想要获得这些类型的更多信息，敬请参阅从机数据表。

3

•

用于微控制器的IIC软件程序

地址寄存器 - HC908中用到的地址寄存器与S08和S12微控制器中的不同。在HC908的内核中，地址寄存器的内容在起始（START）条件后将自动发送，数据寄存器的内容依据该状态而定。这个地址寄存器在从模式下也用作其自身的IIC从机地址。在S08和S12内核中，地址寄存器仅在从模式下激活，并在总线上组成了其自己的微控制器IIC从机地址。这可以被用在总线上有多微控制器连接时使用。

分频寄存器 - 决定SCL的时钟速度。总线频率作为IIC模块的源频率。 控制寄存器 - 功能性的控制所有的IIC模块。 状态寄存器 - 包括关于实际总线状态的信息。

数据寄存器 - 作为所有在总线传输的信息的输入和输出点。

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您可以在MCU数据手册中获得IIC模块的详细说明。下面是其简介：

• • • •

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用于微控制器的IIC软件程序

3.1 IIC的初始化

主要的任务是设置合适的SCL时钟信号的速度。这些时钟是基于总线频率的。下一个任务是设置IIC模块功能 - 即使用或不使用中断服务程序、激活IIC模块以及设置从模式。敬请参考例1、例2和例3。

例1. 用于HC908微控制器的软件（使用MC68HC908AP）

例2. 用于9S12微控制器的软件（使用MC9S12DP256B）

例3. 用于9S08微控制器的软件（使用MC9S08GB60）

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3.2 写入功能

我们将首先讨论在一个地址上写入从机的情况。为了完成这一任务，通过在从机地址字节之后发送起始（START）位，激活与从机之间的通信。这些位的内容已在2.6节（即“地址字节”）讨论。当主机发送这个字节时，从机在第9个脉冲间发送ACK位。从机必须对主机发送的每个字节进行应答。 下一个字节（第二个字节）是内存阵列的内部地址。根据内存的容量，这个地址可以是一个字节或两个字节。从机必须对主机发送的每个字节进行应答。

第三个字节（对于大存储器而言是第四个字节）是数据字节 - 此数据将写入一个特定的地址中。从机的ACK信号位于这个数据字节之后。当主机收到这个ACK位时，它会产生一个停止（STOP）位。此时，从机内部将断开与IIC总线连接，并且在内部处理写入操作。当从机处理所要求的操作（写入操作）时，它不能响应主机的下一个请求。因此，主机必须等待一段时间，这段时间由从机数据表所定义，或者它必须周期性的向从机发送请求并且检测正确的响应（来自从机的ACK信号）。

例4. HC908微控制器的写入字节（使用MC68HC908AP和24C16）

例6和例7用于更大容量的EEPROM（24C512）。如例5中所定义的那样，字地址可以分为两个部分

（两个字节）：低字节和高字节。

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例5. 分为低字节和高字节的字地址

例6. 9S08微控制器的写入字节（使用MC9S08GB60和24C16）

例7. 9S12微控制器的写入字节（使用MC9S12XDT512）

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3.3 读取功能

读取功能与写入功能相似。首先，将地址（字节和文字）写入从机。来自从机的ACK位总是位于这些写循环之后。当地址正确地写入从机时，主机产生重复起始（REPEAT START）条件。然后，主机再一次发送控制字节，但是采用的是等于1的读取/写入位。这就意味着读自从机的功能。从机的ACK字节位于这个字节之后。然后，主模式必须切换到接收模式，并且执行从IIC数据寄存器（IICDR）读取数据的功能。这个指令产生了SCL脉冲，使从机可以从要求的地址中发送数据。 有两个可能的选项：

y 如果主机不需要来自从机的下一个数据字节，它将发送NOACK（ACK=1）信号和停止

（STOP）条件。

y 如果主机需要来自从机的下一个数据字节，它会产生ACK位（ACK=0）。

从机识别此ACK位后，将内部的地址指示器移动到下一个地址。然后，主机执行从IICDR中读取数据的功能，为从机发送数据产生下一系列的SCL脉冲。此序列可以无限的执行下去。

例8. HC908系列的读取字节（用于 HC908AP）

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例9和例10用于更大容量的EEPROM（24C512）。字地址可以分为两部分（两个字节）：低字节和高字节（见例5）。

例9. 9S08系列的读取字节（使用MC9S08GB60和24C16）

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例10．9S12系列的读取字节（使用MC9S12DT512和24C512）

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例11给出了9S12微控制器内核及24C512 EEPROM模块写入-模块读取功能的一个程序。

例11．9S12微控制器及24C512 EEPROM的模块写入-模块读取功能（使用MC9s12XDT512)

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3.4

中断应用举例

这一节列出了当IIC中断服务程序被使用时的两个选项：

y 微控制器用作主机，并从使用的从机中读取或写入 y 微控制器作为IIC总线上的从机

3.4.1 MCU作为主机

当主软件循环不能查询到IIC通信序列时，就会使用此程序。第一个动作仅在主循环中进行；这是第一次写入IIC数据寄存器。然后，IIC中断服务程序维持着整个通信。例12解释了如何设置微控制器。

例12．IIC模块初始化程序

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用于微控制器的IIC软件程序

例13显示了用于主循环中EEPROM 24AA256和MC9S08QG8的读取模块和写入模块的功能。

例13. 读取模块和写入模块功能（使用24AA256 EEPROM和MC9S08QG8）

标记变量就是在IIC中断服务程序中的字节变量，用以识别处理哪个通信协议。

例14显示了在主循环中串行EEPROM（24LC16B）和微控制器（S12DP256B）的读取功能。

例14. 主循环中的EEPROM（24LC16B）和MCU（S12DP256B）

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用于微控制器的IIC软件程序

中间变量是一个普通的字节变量；标记变量就是在IIC中断服务程序中的字节变量，用以识别处理哪个通信协议的字节。然后，中断服务程序代码如例15如示。

例15.用于MC9S08QG8和24C512 EEPROM的中断服务程序编码

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3.4.2 MCU作为从机

当微控制器用作IIC总线上的从机时，将使用此程序。微控制器需要获得所有为此而设计的IIC字节。有效字节的识别是基于保存在IBAD寄存器中的从机自身地址的匹配之上的。如果主机发送一个地址到IIC总线，当这个地址与其在IBAD寄存器中的自身地址相匹配时，从机产生一个IIC中断。然后，例如，从机将所有IIC总线中的字节保存到RAM缓冲器并随后进行处理。

例16显示出与同类的主MCU相连接（两个EVBS12DP256B板互联）的从微控制器（S12DP256B） 变量可定义为：

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结论

例16. 从初始化程序

例17. 中断服务程序

4 结论

此应用笔记解释了在飞思卡尔的HC908、9S08和9S12中使用IIC模块的情况。用户程序在所提到的微控制器和板上进行了测试。串行EEPROM经常被用作IIC器件来使用并可用作一个极好的示例。如果除了IIC器件（例如，实时时钟[RTC]）您需要使用其它器件，您可以按照数据表所描述的那样，改变器件地址（RTC为0xD0，EEPROM为0xA0）并正确地管理字节序列。

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本页有意留空

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