IIC知識整理以及ADS1115

什麼是IIC?

IIC (Inter-Integrated Circuit), 通常發音為： I-squared-C，是多主、多從、分組交換、單工的序列匯流排，通常用於處理器或微控制器與低速外圍器件的短距離通訊連線。這個通訊協議是由（NXP半導體的前生）飛利浦公司發明，並在2006年開始，I2C協議的實施不要許可費，但仍要收取I2C從機分配地址的費用。
來自：wiki

IIC的特性如下：

1. 僅用兩線連線；
2. 不像RS232那樣有著嚴格的波特率要求，而是由主裝置（mater）產生時鐘訊號；
3. 裝置之間的主/從關係簡單，每個裝置都有軟體給予的唯一地址；
4. IIC是一個真正的多主匯流排，提供仲裁和衝突檢測的功能。

來自: I2C-BUS.COM

IIC 的發展歷史

時間	事件
1982年	最初的100KHz I2C系統產生，其作為內部匯流排系統用於建立帶各種飛利浦晶片的控制電路。
1992年	I2C的首個標準版本1.0出現，加入400KHz的（Fast-mode）快速模式；引入10bits的地址，使得系統能夠容納多達1008個節點。
1998年	版本2.0加入3.4MHz的高速模式(High-speed mode)以及滿足系統在電壓和電流方面的節能需求。
2000年	版本2.1基於版本2 引入一個小清理。
2007年	版本3 加入1 Mhz 快速+模式(Fast-mode plus)。
2012年	版本4 加入5 MHz的極快模式（Ultra Fast-mode），這種模式的資料線和時鐘線使用推輓輸出來替代上拉電阻，並加入了輔助分配Id表。此模式只能用於單向匯流排。
2012年	版本5 修正了一些錯誤。
2014年	版本6 修正了兩幅圖。

來自：wiki

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物理（電氣）特性

IIC物理層的連線結構十分簡單，訊號的傳輸僅需2根線（裝置之間隔離）便能實現，分別是通訊時鐘線（SCL）和資料線（SDA），SCL作為時鐘線進行時鐘同步，SDA作為資料傳輸線路，由於只有一條，這決定了IIC通訊是單工的。一般無隔離的情況下，由於共地還需引入一條地線。

 

 

圖1 Fast/standard 模式下的裝置連線

 

通常，I2C通訊裝置之間只通過普通導線進行連線，位元流訊號採用TTL/CMOS標準下的高/低電平來表示1/0訊號，這一方式使得傳輸距離很短（本來設計目的就是用於短距離通訊），直接連線的傳輸距離短達40cm，提升通訊距離則需使用P82B715一類的中繼器或者改用其它通訊協議與裝置。

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匯流排通訊協議

IIC是多主的匯流排協議。匯流排的時鐘訊號（SCL）是由主裝置提供，因此同一時間一條匯流排中只能存在一個主裝置，先不考慮多主情況下的匯流排仲裁競爭，只考慮主裝置確定的通訊規則。

 

圖2 7位地址模式下資料傳輸電平

 

以7位地址主從IIC傳輸為例

IIC傳輸資料的模式模式為：
[ 開始 +（7位地址+1位讀寫+1位ACK）+（8位資料+1位ACK）*n+停止 ]
在傳輸過程中，每傳輸8位後，要通過一個ACK位進行相互確認。

 

— 接下來，將具體介紹協議—

 

一位訊號資料傳遞模式

 

 

圖3 傳遞一位資料

IIC協議通過資料線SDA在SCL的配合下實現資訊的有效傳送。每條線均可產生5V/0V或3.3V/0V的高低電平(也可以是其它方式，常用TTL和CMOS的電平模式)，如圖3所示，每當時鐘線SCL產生高電平時，SDA所產生的電平訊號為當前時鐘週期下傳輸的有效訊號；而當SCL為低電平時，SDA可改變，以產生下一週期的傳輸訊號。
PS: 個人認為當SCL產生上升沿後，對方裝置開始檢測SDA的電平，以此作為當前傳輸的資料，而下降沿是作為SDA資訊可調整的訊號，在之後就能進行SDA的電平調整。

 

開始和結束條件

 

 

 

圖4 開始和結束電平分析

I2C匯流排在待機狀態時，SDA和SCL都處於高電平（兩根線一般情況均接上拉電阻）。

 

• 當開始工作時，開始訊號由主裝置(master)發起，SDA先由高電平轉為低電平，此時的SCL是高電平。此後，SDA和SCL便配合傳輸開始工作。

 

• 當停止工作時，在SCL處於高電平下，SDA由低電平轉為高電平。

 

第一個byte （7位地址+1位讀寫+1位ACK）

 

第一個位元組，共8位，前7位數可以大多數作為從機（slave）的地址，而某些數位是作為其他功能標誌，本文不進行深究。7位從機地址之後的是讀寫位，如果為高電平，則是從從裝置中獲取資料，反之 0 則是向從裝置寫入資料，這將會影響下一個位元組的操作。8位資料之後是一個ACK位的響應操作，主裝置會將SDA置於高電平，等待從裝置響應（由於是上拉電阻，一端置低取低），從裝置置低，主裝置就獲得響應，然後就可進行下一位元組的操作。
注意：有時採用無響應的方式，這取決於從裝置的模式，為了通訊的可靠性，建議採用有響應的方式。

 

Write（寫）操作（8位資料+1位ACK）

這是寫操作，ACK位均是從從裝置向主裝置傳送的。

Read（讀）操作（8位資料+1位ACK）

主裝置每次傳送8位資料完畢後，主裝置會返回一個ACK值（低電平）以響應已獲得資料。

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操作例項

接下來將用IIC獲取ADS1115晶片的電壓值。

SLAVE地址
由於模組addr pin是懸空的，參考表5應該和Ground同一個地址，為SLAVE ADDRESS：1001000。

 

Pointer 暫存器

這個暫存器具有指向下一個暫存器的作用，類似索引，通過向該暫存器寫入不同的資料，就可指向相應的暫存器，接下來就可以對該暫存器進行操作。

以指向config暫存器操作為例：

• 對暫存器config進行寫操作
  Start+地址+寫+ACK*+0000 0001+ACK*+Config_H+ACK*+Config_L+NACK*/ACK*+End

• 對暫存器config進行讀操作
  Start+地址+寫+ACK*+0000 0001+NACK*/ACK*+End
  ReStart+地址+讀+ACK*+Config_H*+ACK+Config_L*+NACK+End
  注：帶*表示從裝置向主裝置傳送。

pointer暫存器中只有BIT1、BIT0有效，指向地址見表6如下：

 

CONFIG 暫存器

 

Lo_thresh and Hi_thresh 暫存器

 

 

上下限，暫存器中的是帶符號的補碼（負數 取反加1）
預設：
補碼：8000 H~7FFF H
原碼：(-2^15)~(2^15-1)

CONVERSION暫存器
該暫存器存著轉換得到的AD值。
例如：

操作流程

1. 設定 Lo_thresh 和 Hi_thresh 暫存器
   對 Lo_thresh 寫操作
   Start+地址+寫+ACK*+00000010+ACK*
   +Lo_thresh_H+ACK*+Lo_thresh_L+NACK*/ACK*+End
   對 Hi_thresh 寫操作
   Start+地址+寫+ACK*+00000011+ACK*
   +Hi_thresh_H+ACK*+Hi_thresh_L+NACK*/ACK*+End
2. 設定CONFIG 暫存器
   Start+地址+寫+ACK*+0000 0001+ACK*+Config_H+ACK*+Config_L+NACK*/ACK*+End
3. 讀取Conversion register
   Start+地址+寫+ACK*+0000 0000+NACK*/ACK*+End
   ReStart+地址+讀+ACK*+Conversion_H*+ACK+Conversion_L*+NACK+End
4. 轉換

參考

[1] Semiconductor P. The i2c-bus specification[J]. 2000.
[2] ADS1115 datasheet
[3] wiki

(6條訊息) IIC知識整理以及ADS1115_Line的專欄-CSDN部落格