用于ATtiny和ATmega的I2C总线

步骤1：

I2C总线是一种简单的两线连接，可以将多个设备链接在一起，并允许它们交换数据。在最简单的形式中，有一台主设备与多个从设备进行通信。所有设备都并行连接到I2C总线的两条线。这两条线称为SCL和SDA。 SCL是时钟线，由主设备控制。 SDA是双向数据线。为了传输数据，主机发送一个从机地址并结合一位读/写标志。如果需要写操作，则主机将继续向被寻址的从机发送数据。如果请求读取，则从站将响应数据。为了协调事务，SCL和SDA线由主机和从机操纵，以发出几种情况的信号。其中包括START，STOP，ACK（确认）和NAK（未确认）。这些条件的详细信息由驱动程序处理。真正的极客可以在此Instructable末尾提供的链接中了解所有详细信息。

电气要求非常简单。主机和从机必须对Vcc使用相同的电平，必须接地，并且SCL和SDA线必须上拉至Vcc。上拉电阻的值是通过基于总线上总电容的计算精确确定的，但实际上几乎可以是1.8K到10K之间的任何值。我从5.1K开始使用较低的值，直到它起作用为止。除非您有很多设备或设备之间的电线很长，否则通常这不是问题。

I2C总线上的标称数据速率为100Kbits/秒。也可以达到400Kbit/s，1Mbits/s或更高的速率，但是此Instructable中的驱动程序不支持这些速率。所有I2C器件都将以100Kbit/s的速度工作。

ATtiny2313和ATmega168各自实现I2C总线的方式有所不同。 ATtiny2313使用通用串行接口（USI）硬件-也可以用于SPI总线。 ATmega168具有用于I2C总线的专用硬件，称为双线接口（TWI）。编写完驱动程序后，这些差异对用户几乎都是透明的。软件上的一个重要区别是：ATmega168 I2C驱动程序是由中断驱动的，而ATtiny2313则不是。这意味着ATmega168程序不必等待I2C数据传输发生，而只需要在启动另一个传输之前等待，或者直到数据从读取操作到达为止。 I2C地址的长度为7位，因此每个示例都有一个唯一的地址，因此总线上最多可以有127个设备。如图所示，此7位地址左移一位，最低有效位用于在该地址标记对设备的读取或写入。因此，完整的从机地址是一个8位字节。实际地址部分地在设备内部确定，并且不能更改（4个最高有效位），部分地由可以连接至设备引脚的位（3个最低有效位）确定，可以将其设置为高电平或低电平以进行设置一个特定的地址。

声音令人困惑，但是举个例子可以清楚地说明这一点。 PCA8574A数据表显示，I2C地址的四个最高有效位始终为0111。接下来的三位由引脚AD0，AD1和AD2的设置确定。这些引脚可以接地或连接到正电源（5伏），分别代表0或1。因此，可能的地址范围是38到3F十六进制，如PCA8574数据表的另一幅图所示。因此，通过更改地址位设置，可以同时在I2C总线上最多连接8个PCA8574A。每个都将仅响应其特定的从站地址。如果需要更多的I/O端口，则可以使用PCA8574。 PCA8574和PCA8574A之间的唯一区别是PCA8574的I2C从设备地址范围是20到27个十六进制。

确定给定设备的地址可能会造成混淆，因为某些数据手册认为读/写位是地址的一部分。仔细阅读数据手册，并牢记从机地址的长度为7位。读/写位应分开处理。同样，一个例子会有所帮助。我们将试验的24C16 EEPROM数据表中说，从机地址的前四个（最高有效位）是1010。接下来的三个位可以由A0，A1和A2确定。但请注意，数据手册还涵盖了尺寸较小的EEPROM 24C01至24C08。数据表中的图显示，这些地址位的设置随着大小的增加而被忽略，而对于24C16则被完全忽略。也就是说，最后三位无关紧要，而24C16实际上使用所有I2C从地址50至57十六进制。从机地址范围实际上将寻址24C16中的不同部分。前256个字节位于地址50h，下一个256位于地址51h，依此类推，直到最后一个256位于57h-总共2K字节。由于我们也尝试过的PCF8570 RAM的地址在此范围内，因此24C16和PCF8570不能一起使用。

第2步：订购一些I2C设备

现在您已经对I2C总线有所了解，并想使用它，为什么不订购

一些合适的设备包括I/O接口扩展器（我最喜欢的），静态Ram和EEPROM。还有很多，但是这是一个很好的开始。我们将使用的AVR处理器是ATtiny2313和Atmega168（在Arduino中使用）。如果您不熟悉这些，请看看这个功能强大的Instructable，以了解它们并构建您的Ghetto开发系统。本Instructable中ATmega168的示意图显示了如何为该处理器实现Ghetto开发系统。并行端口电缆与ATtiny2313的电缆相同。 （我尚未尝试使用Ghetto开发系统的USB版本，因此我不确定如何在其上访问I2C总线。与Arduino相同。）

这是Digikey的部件号。

Port Expander ：

IC I2C I/O EXPANDER568-4236-5-ND

Ram：

IC SRAM 256X8 W/I2C568-1071-5-ND

EEPROM：

IC EEPROM串行16KCAT24C16LI-G -ND

步骤3：I2C驱动程序

以下是I2C总线驱动程序功能的说明。这些是使用面向初学者的Atmel Apps Notes开发的。没有他们，我无法做得到这一基础。使用WinAVR和gcc C编译器进行了开发。

下面对每个处理器的时钟速率限制进行了说明。由于我无法测试所有可能的处理器风格/时钟速率组合，因此我将坚持实际测试并尝试指出限制和限制。

以下是驱动程序功能以及如何使用它们。请查看示例以获取更多详细信息，并查看完整程序中使用的功能。

对于ATtiny2313：

时钟要求：

驱动程序的设计时钟频率为1MHz（默认频率）对于ATtiny2313。如果要以其他速率运行，则必须调整驱动程序中的常数。如果需要帮助，请给我发电子邮件。您还可以从“资源”步骤中的链接中的Atmel应用程序注释中获得一些提示。

USI_TWI_Master_Initialise（）

此函数为I2C模式操作初始化USI硬件。在程序开始时调用一次。它返回void并且没有参数。

USI_TWI_Get_State_Info（）

此函数返回I2C错误信息，如果I2C事务期间发生错误，则使用此函数。由于此函数仅返回错误代码，因此我使用函数TWI_Act_On_Failure_In_Last_Transmission（TWIerrorMsg）来闪烁错误LED。错误代码在USI_TWI_Master.h中定义。调用方法如下：

TWI_Act_On_Failure_In_Last_Transmission（USI_TWI_Get_State_Info（））

USI_TWI_Start_Read_Write（）

此函数用于向I2C器件读取和写入单个字节。它还用于写入多个字节。使用此功能有6个步骤。

1）在程序中声明一个消息缓冲区，以保存从站地址和要发送或接收的数据字节。

unsigned char messageBuf（MESSAGEBUF_SIZE）;

2）将从地址作为缓冲区的第一个字节。向左移动一位，然后在“读/写”位中进行“或”操作。请注意，对于读操作，读/写位将为1，对于写操作将为0。本示例适用于读取。

messageBuf（0）=（TWI_targetSlaveAddress 《 3）进行写操作时，将要写入的字节放入缓冲区的下一个位置。

4）以消息缓冲区和消息大小作为参数调用USI_TWI_Start_Read_Write函数。

temp = USI_TWI_Start_Read_Write （messageBuf，2）;

5）可以测试返回值（在这种情况下为温度）以查看是否发生错误。如果是这样，则如上所述进行处理。请参阅程序中的示例。

6）如果请求读取，则读取的字节将位于缓冲区的第二个位置。

如果要写入多个字节（例如，写入存储设备），则此可以使用相同的例程。设置缓冲区和调用例程略有不同。缓冲区中的第二个字节将是要写入的起始存储器地址。要写入的数据将在后续字节中。消息大小将是包括所有有效数据的大小。因此，如果要写入6个字节，则消息大小将为8（从站地址+内存地址+ 6个数据字节）。

USI_TWI_Start_Random_Read（）

此函数用于从I2C设备读取多个字节。 ，通常仅对某种内存有意义。使用此例程与上一个例程非常相似，但有两个例外。

读/写位的设置无关紧要。调用此例程将始终导致读取操作。

messageSize应该为2加上要读取的字节数。

如果未发生错误，则数据将从第二个位置开始在缓冲区中。 》对于ATmega168：

时钟要求：

驱动程序设计用于ATmega168的4MHz时钟速率。示例代码显示了如何设置此时钟速率。如果要以其他速率运行，则必须调整驱动程序中的常数。如果需要这样做，请给我发送电子邮件。

TWI_Master_Initialise（）

此函数将初始化TWI硬件以进行I2C模式操作。在程序开始时调用一次。它返回void并且没有参数。确保在初始化后通过调用swi（）来启用中断。

TWI_Get_State_Info（）

此函数返回I2C错误信息，如果I2C事务期间发生错误，则使用此函数。由于此函数仅返回错误代码，因此我使用函数TWI_Act_On_Failure_In_Last_Transmission（TWIerrorMsg）来闪烁错误LED。错误代码在TWI_Master.h中定义，但已修改以在错误LED上发出信号。有关详细信息，请参见示例代码。调用方法如下：

TWI_Act_On_Failure_In_Last_Transmission（TWI_Get_State_Info（））

请注意，通过确保I2C事务完成（如下所述），然后在全局状态字中进行一点测试来完成错误检查。 br》 TWI_Start_Read_Write（）

TWI_Start_Random_Read（）

这两个功能与上述相应功能相同，但有一些例外。

它们不返回任何错误值。

读取的数据为没有转移到缓冲区。这样做将通过下面描述的功能完成。

调用TWI_Start_Random_Read时，messageSize应该是请求的数据字节数加1，而不是2。

ATmega168的I2C驱动程序是中断驱动的。也就是说，启动I2C事务，然后在主例程继续运行时独立执行。当主例程要从它启动的I2C事务中获取数据时，它必须检查该数据是否可用。错误检查的情况相同。在检查错误之前，主例程必须确保I2C事务已完成。接下来的两个函数用于这些目的。

TWI_Transceiver_Busy（）

在检查错误之前，调用此函数以查看I2C事务是否已完成。示例程序演示了如何使用此方法。

TWI_Read_Data_From_Buffer（）

调用此函数可将数据从I2C驱动程序的接收缓冲区传输到消息缓冲区。此功能将确保在传输数据之前完成I2C事务。当此函数返回一个值时，我发现直接检查错误位更加可靠。调用方法如下。消息大小应比所需的数据位数大一。数据将从第二个位置开始在messageBuf中。

temp = TWI_Read_Data_From_Buffer（messageBuf，messageSize）;

第4步：构建！

首先下载文件I2C Schematics.zip。您可能需要在工作区中创建一个I2C文件夹，以保存原理图和示例程序文件。将原理图解压缩到该目录中。您会找到一个名为I2C Schematics的文件夹。打开名为tiny I2C.pdf的文件。此示意图显示了ATtiny2313 Ghetto开发系统和PCA8574A I/O端口扩展器（周围带有大虚线框）。端口扩展器电路建立在面包板上。看看照片，看看这些电路是什么样的。它们确实非常简单。

该原理图的ATtiny2313部分只是带有三个闪烁指示灯（LED1、2和3，以及R4、5和6）和一个挂钩的按钮（S1）的Ghetto开发系统。 ，以及其他一些细节。该细节是增加了跳线（JP4、5和6），可以将其删除以允许连接I2C总线SCL和SDA线。跳线必须在适当的位置进行编程，然后将其卸下，以便可以连接SCL和SDA。照片显示了跳线到位并被移除。这些跳线的位置由您决定，如果要使用I2C总线，只需将它们放在Ghetto开发系统上。必须断开I2C总线，并设置跳线以进行编程。请注意，对于I2C总线，您只需要真正关心JP4和JP6。如果您想使用SPI总线，请放入JP5。PCA8574AI/O端口扩展器的面包板非常简单。提供Vcc（+5伏）和Gnd（接地）连接，并将AD0、1和2接地（使I2C从地址38十六进制）。然后连接4个指示灯和4个DIP开关。 （如果没有DIP开关，则可以使用电线。分别接地或悬空以分别打开或关闭信号。）最后，将上拉电阻（R11和12）从SDA和SCL连接到Vcc。这些显示为3.3K，但是从1.8K到5.1K的任何值都可以工作（也许可以达到10K，但我没有尝试过）。对ATtiny2313进行编程后，就可以删除跳线，并连接SDA和SCL进行测试。

现在用于ATmega168。这里唯一的麻烦是您可能尚未为此处理器构建Ghetto开发系统。如果是这样，那么我提供的原理图（MEGA I2C.pdf）将向您展示如何。这只是ATtiny2313版本的排列。如果您提前计划，可以确保您的编程电缆可同时适用于两个系统。主要区别在于添加了C2和C3。请参阅图片中的这些位置，它们应该非常靠近芯片；其中之一实际上在芯片之下。这些特别有助于将噪声排除在模数转换器之外。除非计划使用SPI总线，否则不需要插入跳线，因为该芯片上的I2C总线不需要它们。请注意，PCA8754A面包板将保持不变。您只需将SDA和SCL连接起来，就可以使用！容易吗？

第5步：我们进行编码和测试！

是时候构建驱动程序和示例程序了。我们将从刚构建的ATtiny2313和PCA8574A面包板开始。将文件I2C.zip下载到您的I2C工作目录中并解压缩。您将拥有一个名为I2C的新文件夹。在其中，您将找到USI I2C（用于ATtiny2313）和TWI I2C（用于ATmega168）。在USI I2C中，您会找到I_O端口文件夹。该文件夹包含我们第一个示例程序的代码以及USI I2C驱动程序。

使用WinAVR将代码编译并加载到ATtiny2313中。深呼吸并打开电源。预期结果如下：

上电时，ATtiny2313的PD6端口上的LED 1闪烁两次。

在按下按钮（S1）之前，什么都不会发生。每次按下按钮，将读取开关，并且其设置将显示在连接到PCA8574A的LED上。更改开关的值，按按钮，LED将会改变。继续这样做，直到您克服了看到它起作用的快感。如果（上帝禁止！）事情没有按预期进行，请仔细检查接线。 I2C错误将通过LED3（PD4）闪烁来指示，这可能意味着您需要检查SDA和SCL是否已连接到正确的引脚并被正确上拉。如果仍然无法解决问题，请阅读本节的其余部分以了解有关调试的信息。

现在返回并让我们看一下代码。打开文件USI_I2C_Port.c。这是示例程序的代码。 （USI_TWI_Master.c和USI_TWI_Master.h包含驱动程序-除非感到好奇，否则可以忽略它们。）使用该示例指导自己的I2C应用程序。

该程序通常向您展示如何初始化和使用I2C驱动程序。 ，包括设置从站地址和消息缓冲区的其余部分，以及从中获取数据。您还将看到我如何反跳按钮并设置while循环。该程序有一些细节值得一提。请注意，来自交换机的数据在写入端口扩展器上的LED之前必须先反转。另请注意，必须将端口扩展器上的输入端口写为高电平，以使其正常工作。这些细节在PCA8574A数据手册中进行了描述。请务必仔细阅读数据表！

更感兴趣的是使用条件调试。在程序文件的开始附近是语句//＃define DEBUG，并且在整个代码中散布的是#ifdef DEBUG语句。只要未定义DEBUG（两个斜杠使该行成为注释并阻止其定义），就不会编译#ifdef至#endif语句中的代码。但是，如果事情没有按您预期的那样进行，请使用未注释的#define DEBUG重新编译并重新加载代码。您将获得更多的LED闪烁，您可以对其进行解码，以跟随程序的执行，并帮助您准确地找出问题所在。实际上，我建议您尝试此操作以查看会发生什么。

您会看到随着程序执行的进行，LED 2（PD5上的LED）将闪烁。从开关读取的值在端口扩展器LED上显示之前，将在LED 1（PD6）上闪烁。通过使用这些LED，您应该能够在程序运行时对其进行跟踪。

接下来，我们将与ATmega168一起工作。如果您仅对ATtiny2313感兴趣，请跳过此部分。还在我这儿？好。移至TWI_I2C文件夹，将工作目录更改为IO_Port，然后编译并将TWI_I2C_Port.c加载到ATmega168中。从ATtiny2313断开SDA和SCL线，然后将它们连接到ATmega168。连接电源和地面，然后加电。操作应该是一样的！播放直到刺激消退，然后看一下代码。

打开TWI_I2C_Port.c。该代码几乎完全相同，除了错误处理和容纳中断驱动的驱动程序。区别在于：

请注意，必须将时钟设置为4MHz才能使I2C总线正常工作。

sei（）; I2C驱动程序初始化后，该语句打开中断。

要检查错误，将测试特定的状态位。

在读取期间，必须调用TWI_Read_Data_From_Buffer函数将读取的数据传输到消息缓冲区中。

在写入期间，必须使用（TWI_Transceiver_Busy（））来确保在检查错误之前传输已完成。

最后两个功能已在上面的驱动程序说明中进行了描述。除此之外，代码与ATtiny2313几乎相同。如果您想进行调试，则DEBUG的工作原理也相同。

步骤6：使用I2C内存

现在，我们已经学会了使用I2C总线读写I/O端口扩展器，让我们继续使用RAM和I2C存储器EEPROM。主要区别在于可以使用单个I2C命令从存储器读取或写入多个字节。

为准备好进行这些实验，我们需要稍微修改硬件并在试验板上建立几个新电路。保留端口扩展器电路，因为我们将使用它来显示一些内存值。从PCA8574A上卸下DIP开关，然后在那些引脚上放置闪烁指示灯。如果您没有足够的眨眼指示灯，请将P4到P7的指示灯移动到P0到P3。 （要显示的值足够小。）

现在看原理图I2C Ram.pdf并将PCF8570连接到试验板上。也看一下图片。确保将引脚7连接到Vcc。从PCA8574A为SDA和SCL布线。不需要额外的上拉电阻。

如果您也对EEPROM感兴趣，也可以使用24C16的I2C EEPROM.pdf构建该电路，但请注意，该示例使用ATmega168。这个电路真的很简单。如上所述，应该忽略地址位。只需接通电源并接地即可。由于我们还没有完成对Ram的实验，因此请不要连接SDA和SCL。我们将通过连接到PCA8574A端口扩展器和PCF8570 Ram的ATtiny2313开始内存实验。该程序将一些数字写入Ram，然后将其读回并显示在Port Expander上。

将工作目录更改为USI I2C下的RAM。使用生成文件来编译和下载USI_I2C_RAM.c。请注意，I2C驱动程序文件与我们先前使用的文件相同。接通电源，LED 1（PD6）上将闪烁一次。数据将被写入内存的前4个字节。按下按钮，将读取并显示两个字节。您应该在端口扩展器（P0）上看到一个LED指示灯，停顿两秒钟，然后在两个LED指示灯（P0和P1）上点亮。再暂停两秒钟，指示灯应熄灭。再按一次按钮可重新开始序列。调试与上述方法相似。

让我们看一下代码。打开USI_I2C_RAM.c。它看起来应该与之前的代码非常相似。主要区别在于读取和写入内存的细节。在实际执行写操作的调用之前，先查看消息缓冲区的加载方式。第一个字节是从机地址，其读/写位已适当设置。但是下一个字节是开始写入数据的内存地址。然后是实际的数据字节，这些字节将从我们指定的地址开始依次加载到内存中。我们将消息大小指定为6。因此，我们从地址00开始写入，并将值01、03、02和06写入内存位置00至03。

要从内存中读取数据，我们必须使用USI_TWI_Start_Random_Read。功能。消息缓冲区在第一个字节中获取从机地址，在第二个字节中获取起始地址。然后调用消息大小设置为要读取的字节数加上2的函数。请注意，读/写位无关紧要，因为无论如何都将进行读取。返回的数据将从消息缓冲区的第二个位置开始。读入数据后，将其反转以显示在端口扩展器上，并一次向其写入一个字节，并在两个值之间暂停。最后，端口扩展器LED熄灭。对端口扩展器的写入与前面的示例相同。有趣的是，您可以取消上面的#define DEBUG语句的注释，并看到许多闪烁的LED。

在另一个成功的实验后兴奋不已，让我们转到ATmega168和EEPROM。将工作目录更改为TWI I2C下的EEPROM。使用生成文件来编译和下载TWI_I2C_EEPROM.c。请注意，I2C驱动程序文件与我们先前用于PCA8574A的文件相同。要测试程序，请断开ATtiny2313的连接并连接ATmega168。将I2C总线挂在Ram上并加电。结果不同，因为我们现在正在写入和读取更多数据。初始化时，PD7上的LED 1应该闪烁。按下按钮，数据将从存储器中读取并显示。 PCA8574上的LED应按以下顺序闪烁：P1，P0和P2（全部熄灭），P0和P1，P1和P2。最后，端口LED均应熄灭。再按一次按钮即可重复。

哦，等一下，你说。该程序不是用于EEPROM吗？由于我们正在访问具有相同I2C地址的存储设备，因此同一程序对Ram和EEPROM均有效。断电，然后将SDA和SCL从Ram移至EEPROM，然后再次运行程序。它应该工作完全相同。请注意，由于EEPROM和Ram共享相同的地址，因此它们不能同时连接到I2C总线。 （其中一些聪明的人可能会考虑更改Ram上的可编程地址位，但这仍然行不通。24C16使用了可以为Ram编程的整个地址块。）

好，让我们来看一下最后一个程序。打开TWI_I2C_EEPROM.c。首先要注意的是，我已经说明了如何寻址完整的24C16 EEPROM。可以在8个不同的I2C从设备地址上以256字节块的形式对其进行访问。查看如何将MEMORY_ADDR定义为十六进制50的起始地址；这就是公羊工作的原因。如果要访问24C16的其他块，请使用我已指出的其他地址。看看我如何设置写入内存。首先将设置了读/写位的从机地址放入缓冲区，然后将起始地址00放入，然后是16字节数据。调用函数TWI_Start_Read_Write以将消息大小设置为18写入数据（如前所述）。按下按钮时，我们使用TWI_Start_Random_Read和TWI_Read_Data_From_Buffer读回数据。每第三个字节显示在端口扩展器LED上。最后，LED熄灭以等待下一次按钮按下。

您可能想知道为什么我选择写16个字节。如果仔细阅读数据表，您会发现24C16只要接收到16个字节就执行写周期，即使发送了更多字节也是如此。因此，这似乎是一个不错的数字。如果选择增加此值，则必须更改MESSAGEBUF_SIZE的大小。您还必须在TWI_Master.h中更改值TWI_BUFFER_SIZE。这是因为驱动程序从消息缓冲区复制了数据，以供中断服务程序使用。结果恭喜！现在您可以在自己的项目中使用I2C总线了！

第7步：网络资源

以下是用于实验的零件的数据表链接。如果您什么都没有，那么您肯定应该得到这些。端口扩展器，Ram，EEPROM和NXP作为I2C的创建者，NXP（Philips）有很多很棒的东西。 （他们喜欢在URL中使用方括号，所以我不能在此处正确包括它们。抱歉。）要进入I2C区域，请从“产品”列表中选择“接口”。访问它们提供的所有数据表和应用笔记，尤其是I2C总线描述和技术细节。

从Atmel获得ATtiny2313和ATmega168数据表（数据手册？）。

Atmel应用笔记在这里。看一下AVR310和AVR315，也获取代码。

在这里看看更多I2C内容。

步骤8：极客注意事项

对于想要了解详细信息的真正极客，如果您查看Atmel Apps Notes和驱动程序代码，请牢记以下几点：

-寻址和命令I2C设备的方法不是规范的一部分！除了从机地址和读/写位以外，没有指定命令，模式等，这些命令，模式等特定于给定设备。为清楚起见，请注意Atme中使用的方案