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1、串行接口及应用TWI,5.4 两线串行接口TWI5.4.1 TWI主要特点 简单，但是强大而灵活的通讯接口，只需要两根线支持主机和从机操作 器件可以工作于发送器模式或接收器模式 7 位地址空间允许有128 个从机 支持多主机仲裁 400 kHz 的数据传输率 可以抑制总线尖峰的噪声抑制器 完全可编程的从机地址以及公共地址 睡眠时地址匹配可以唤醒AVR,串行接口及应用TWI,1、两线串行接口总线定义 TWI 协议允许系统设计者只用两根双向传输线就可以将128个不同的设备互连到一起。这两根线一是时钟SCL，一是数据SDA。外部硬件只需要两个上拉电阻，每根线上一个。所有连接到总线上的设备都有自己的地
2、址。TWI 协议解决了总线仲裁的问题。,图5.9 TWI 总线的连接,串行接口及应用TWI,表5.5 TWI 词汇,串行接口及应用TWI,2、TWI的电气连接两根线都通过上拉电阻与正电源连接， TWI 兼容的器件的总线驱动都是漏极开路或集电极开路的，TWI器件输出为“0”时，TWI总线会产生低电平。当所有的TWI器件输出为三态时，总线会输出高电平，允许上拉电阻将电压拉高。注意，为保证所有的总线操作，凡是与TWI 总线连接的AVR 器件必须上电。,串行接口及应用TWI,3、TWI的传输数据(位) TWI总线上数据位的传送与时钟脉冲同步。时钟线为高时，数据线电压必须保持稳定，除非在启动与停止的状态
3、下。,图5.10 数据有效性,串行接口及应用TWI,4、START/STOP状态主机在总线上发出START 信号启动数据传输，在总线上发出STOP 信号停止数据传输。在START 与STOP 状态之间，需要假定总线忙，不允许其它主机控制总线，特例是在START 与STOP 状态之间发出一个新的START 状态。如下所示，START与STOP状态是在SCL线为高时，通过改变SDA 电平来实现的。,串行接口及应用TWI,图5.11 启动、停止和重启动状态,串行接口及应用TWI,5、地址包格式 在TWI 总线上传送的地址包均为9位，包括7位地址位、1 位READ/WRITE 控制位与1位应答位。如果
4、READ/WRITE 为1，则执行读操作；否则执行写操作。从机被寻址后，必须在第九个SCL (ACK) 周期通过拉低SDA 作出应答。若该从机忙或有其它原因无法响应主机，则应该在ACK 周期保持SDA 为高。然后主机可以发出STOP 状态或REPEATED START状态重新开始发送。地址包包括从机地址与分别称为SLA+R 或SLA+W 的READ 或WRITE 位。,串行接口及应用TWI,6、数据包格式 在TWI 总线上传送的数据包为9位长，包括8位数据位及1 位应答位。在数据传送中，主机产生时钟及START 与STOP状态，而接收器响应接收。应答是由从机在第9个SCL 周期拉低SDA 实现
5、的。如果接收器使SDA为高，则发出NACK 信号。接收器完成接收，应该在收到最后的字节后发出NACK 来告知发送器。,串行接口及应用TWI,图5.13 数据包格式,串行接口及应用TWI,7、将地址包和数据包组合为一个完整的传输过程 发送主要由START 状态、SLA+R/W、至少一个数据包及STOP 状态组成，可以利用SCL 的线与功能来实现主机与从机的握手。,串行接口及应用TWI,图5.14说明了典型的数据传送。注意SLA+R/W 与STOP之间传送的字节数由应用程序的协议决定。,图5.14 典型的数据传送,串行接口及应用TWI,8、多主机总线系统，仲裁和同步 TWI 协议允许总线上有多个主
6、机。特别要注意的是即使有多个主机同时开始发生数据，也要保证发送正常进行。多主机系统中有两个问题： 只能允许一个主机完成传送。当其余主机失去选择权后应停止传送，这个过程称为仲裁。当竞争中的主机发现其仲裁失败，应立即转换到从机模式检测是否被获得总线控制权的的主机寻址。 不同的主机可能使用不同的SCL 频率。为保证传送的一致性，必须设计一种同步主机时钟，这会简化仲裁过程。,串行接口及应用TWI,5.4.2 TWI 模块综述 TWI模块由几个子模块组成，如图5.17所示。所有位于粗线之中的寄存器可以通过AVR数据总线进行访问。,串行接口及应用TWI,图5.17 TWI 模块概述,串行接口及应用TWI,
7、5.4.3 总线接口单元 该单元包括数据与地址移位寄存器TWDR， START/STOP 控制器和总线仲裁判定硬件电路。5.4.4 地址匹配单元 地址匹配单元将检测从总线上接收到的地址是否与TWAR 寄存器中的7 位地址相匹配。5.4.5 控制单元： 控制单元监控TWI 总线，并根据 TWI 控制寄存器TWCR 的设置作出相应的响应。,串行接口及应用TWI,5.4.6 使用TWI AVR的 TWI接口是面向字节和基于中断的。 在字节发送和接收过程中，不需要应用程序的干预。 TWCR 寄存器的 TWIE位和SREG寄存器的全局中断允许位一起决定了应用程序是否响应TWINT标志位产生的中断请求。,
8、串行接口及应用TWI,1、TWI寄存器设置（1）TWI 比特率寄存器（TWBR）Bits 7.0 TWI 比特率寄存器TWBR 为比特率发生器分频因子。比特率发生器是一个分频器，在主机模式下产生SCL时钟频率。,串行接口及应用TWI,（2）TWI 控制寄存器（TWCR）,Bit 7 TWINT: TWI 中断标志Bit 6 TWEA: 使能TWI 应答Bit 5 TWSTA: TWI START 状态标志Bit 4 TWSTO: TWI STOP 状态标志Bit 3 TWWC: TWI 写碰撞标志Bit 2 TWEN: TWI 使能Bit 1 Res: 保留Bit 0 TWIE: 使能TWI
9、中断,串行接口及应用TWI,（3）TWI 状态寄存器（TWSR）Bits 7.3 TWS: TWI 状态Bit 2 Res: 保留Bits 1.0 TWPS: TWI 预分频位,串行接口及应用TWI,（4）TWI 数据寄存器（TWDR）,Bits 7.0 TWD: TWI 数据寄存器,串行接口及应用TWI,（5）TWI(从机)地址寄存器（TWAR）, Bits 7.1 TWA: TWI 从机地址寄存器其值为从机地址。 Bit 0 TWGCE: 使能TWI 广播识别置位后MCU 可以识别TWI 总线广播。,串行接口及应用TWI,TWI 数据传输过程中的规则总结如下： 当TWI 完成一次操作并等待
10、反馈时，TWINT 标志置位。直到TWINT 清零，时钟线SCL 才会拉低。 TWINT标志置位时，TWDR 寄存器必须载入下一个总线周期中要发送的值。 当所有的TWI 寄存器得到更新，而且其它挂起的应用程序也已经结束， TWCR 被写入数据。写 TWCR 时， TWINT 位应为置位状态。对TWINT 写“1” 清除此标志。TWI 将开始执行由TWCR 设定的操作。,串行接口及应用TWI,1、数据传输模式 TWI 可工作于4个不同的模式：主机发送器(MT)、主机接收器 (MR)、从机发送器 (ST)及从机接收器(SR)。 同一应用程序可以使用几种模式。2、主机发送模式为进入主机模式，必须发送
11、START 信号。紧接着的地址包格式决定进入MT 或MR 模式。 如果发送 SLA+W 进入MT 模式；如果发送SLA+R 则进入MR 模式。本节所提到的状态字均假设其预分频位为“0”。,串行接口及应用TWI,（1）通过在TWCR 寄存器中写入下列数值发出START 信号：,TWEN必须置位以使能两线接口TWSTA必须置“1”来发出START 信号TWINT必须置“1”来对TWINT标志清零 TWI 逻辑开始检测串行总线，一旦总线空闲就发送START。接着中断标志TWINT 置位，TWSR 的状态码为0 x08。,串行接口及应用TWI,（2）为进入MT 模式 ，必须发送SLA+W，可对TWDR
12、 写入SLA+W来实现。 完成此操作后软件清零TWINT标志， TWI 传输继续进行。在 TWCR 寄存器中写入下述值完成此操作：,串行接口及应用TWI,当SLA+W 发送完毕并接收到确认信号，主机的TWINT标志再次置位。此时主机的TWSR状态码可能是0 x18、0 x20 。SLA+W 发送成功后可以开始发送数据包，通过对TWDR 写入数据实现。,串行接口及应用TWI,（3） TWDR 只有在TWINT 为高时方可写入。否则，访问被忽略，寄存器TWCR 的写碰撞位TWWC 置位。TWDR更新后，TWINT位应清零后继续传送。通过对 TWCR寄存器中写入下述值完成操作：,串行接口及应用TWI
13、,（4） 这过程会一直重复下去，直到最后的字节发送完且发送器产生 STOP 或REPEATED START 信号 。STOP 信号通过在 TWCR 中写入下述值实现：,串行接口及应用TWI,（5）在REPEATED START ( 状态0 x10) 后，两线接口可以再次访问相同的从机，或不发送STOP信号来访问新的从机。REPEATED START 使得主机可以在不丢失总线控制的条件下在从机、主机发送器及主机接收器模式间进行切换。REPEATED START 信号通过在 TWCR 中写入下述值实现：,串行接口及应用TWI,表： 主机发送模式的状态码,串行接口及应用TWI,表 主机发送模式的状态
14、码 (续表),典型数据传输中应用程序与TWI 的接口（数据手册P171）,串行接口及应用TWI,3、主机接收模式 在主机接收模式，主机可以从从机接收数据。为进入主机模式，必须发送START 信号。紧接着的地址包格式决定进入MT 或MR 模式。 如果发送 SLA+W 进入MT 模式；如果发送SLA+R 则进入MR 模式。,串行接口及应用TWI,表： 主机接收模式的状态码,串行接口及应用TWI,表 主机接收模式的状态码 (续表),串行接口及应用TWI,4、从机发送模式如图5.20：从机发送模式下的数据传输,串行接口及应用TWI,（1）启动从机发送模式，TWAR 与TWCR 设置：,（2）前7 位是
15、主机寻址时从机响应的TWI 接口地址。若LSB 置位，则TWI 接口响应广播地址0 x00。否则忽略广播地址。,串行接口及应用TWI,TWEN必须置位以使能TWI接口。TWEA也要置位以便主机寻址到自己(从机地址或广播)时返回确认信息ACK。TWSTA 和TWSTO 必须清零。初始化TWAR 和TWCR 之后， TWI 接口即开始等待，直到自己的从机地址( 或广播地址，如果TWAR 的TWGCE 置位的话) 出现在主机寻址地址当中，并且数据方向位为“1”(读)。然后TWI 中断标志置位，TWSR 则包含了相应的状态码。,串行接口及应用TWI,如果在传输过程中TWEA 复位，TWI 接口发送完数
16、据之后进入状态0 xC0 或0 xC8。接口也切换到未寻址从机模式，忽略任何后续总线传输。从而主机接收到的数据全为“1”。如果主机需要附加数据位( 通过发送ACK)，即使从机已经传送结束，也进入状态0 xC8。 TWEA复位时TWI接口不再响应自己的从机地址，但是会继续监视总线。一旦TWEA置位就可以恢复地址识别和响应。也就是说，可以利用TWEA 暂时将TWI 接口从总线中隔离出来。,串行接口及应用TWI,在除空闲模式外的其它休眠模式时， TWI 接口的时钟被关闭。若使能了从机接收模式，接口将利用总线时钟继续响应广播地址/ 从机地址。地址匹配将唤醒CPU。在唤醒期间，TWI接口将保持SCL为低
17、电平，直至TWCINT标志清零。,串行接口及应用TWI,当AVR时钟恢复正常运行后可以发送更多的数据。显然如果AVR 设置为长启动时间，时钟线SCL 可能会长时间保持低，阻塞其它数据的传送。 当MCU 从这些休眠模式唤醒时，和正常工作模式不同的是，数据寄存器TWDR 的数据并不反映总线上出现的最后一个字节。,串行接口及应用TWI,表5.9： 从机发送模式的状态码,串行接口及应用TWI,其他状态：有两个状态码没有相应的 TWI 状态定义。状态0 xF8 表明当前没有相关信息，因为中断标志TWINT 为“0”。状态0 x00表示在串行传输过程中发生了总线错误。当START 或STOP 出现在错误的
18、位置时总线错误就会发生。这将导致TWI 接口进入未寻址从机模式、标志TWSTO 被清零(TWCR 的其他位不受影响)，以及SDA 和SCL 被释放，但是不会产生STOP。,串行接口及应用TWI,表5.10 其它状态码,串行接口及应用TWI,将几个TWI 模式组合到一起：在某些情况下，为完成期望的工作，必须将几种TWI模式组合起来。例如从串行EEPROM读取数据。典型的这种传输包括以下步骤：1. 传输必须启动2. 必须告诉EEPROM 读取的位置3. 必须完成读操作4. 传送必须结束,串行接口及应用TWI,注意数据可从主机传到从机，反之也可。首先主机必须告诉读从机读取实际的位置，因此需要使用MT
19、 模式；然后数据必须由从机读出，需要使用MR 模式，但传送方向必须改变。在上述步骤中，主机必须保持对总线的控制，且以上各步骤应该自动进行。如果在多主机系统中违反这一规则，即在第二步与第三步之间其它主机改变EEPROM 中的数据指针，则主机读取的数据位置是错误的。传送方向改变是通过在发送地址字节与接收数据之间发送REPEATED START 信号来实现的。在发送REPEATED START 信号后，主机继续保持总线的控制权。,串行接口及应用TWI,下图给出传送的流程图（从机读流程）。,串行接口及应用TWI,例5.14 在读方式下往从器件写入一个地址字节。void f_I2cWriteAdd_R(
20、unsigned char uc_I2CAdd) /写从器件地址和读方式TWDR=(uc_I2CAdd);TWCR=(1TWINT) |(1TWEN) ； /写数据到TWDRwhile(!(TWCR,串行接口及应用TWI,例5.15 往从器件写入一个数据字节。void f_I2cWriteData_R(unsigned char uc_I2CData) /写从器件数据TWDR=(uc_I2CData);TWCR=(1TWINT) |(1TWEN) /写数据到TWDRwhile(!(TWCR,串行接口及应用TWI,例5.16 读从器件，返回字节数据。要求接收到ACK信号。unsigned cha
21、r f_I2Cread1(viod) /读返回数据unsigned char uc_ReturnData;TWCR=( TWCR,串行接口及应用TWI,AT24C02,AT24C02是由ATMEL公司提供的，I2C总线串行EEPROM，其容量为2Kbit（256B），工作电压在2.7V5.5V之间，生产工艺是CMOS工艺。,各引脚功能如下。A2A0：器件地址选择引脚。将这3个引脚配置成不同的编码值，在同一串行总线上最多可扩充8片同一容量或不同容量的24系列串行EEPROM芯片。SDA：串行数据输入输出口，是一个双向的漏极开路结构的引脚，容量扩展时可以将多片24系列的SDA引脚直接相连。SCL：串行移位时钟控制端。写入时上升沿起作用，读出时下降沿起作用。WP：硬件写保护控制引脚。当其为低电平时，正常写操作，高电平时，对EEPROM部分存储区域提供硬件写保护功能，即对被保护区域只能读不能写。GND：接地。VCC：接+5V电压,串行接口及应用TWI,电路设计,