本應用筆記討論了通過I2C兼容接口讀取多字節數據時需要特別注意的地方。介紹了每次讀取一個字節時容易出現的問題，并給出了幾個具體示例。本文也描述了進行數據傳輸的正確方法。

概述

I2C兼容2線接口是功能強大的總線機制，用于連接微控制器或微處理器與低速外設，例如：集成了模/數轉換器(ADC)的外設。基于該總線的最基本的通信方式(即，寫入/讀取從機寄存器的一個字節)非常直觀。但是，如果因為這種方法簡單而掉以輕心，則會導致嚴重的系統錯誤。

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單字節通道傳送2字節數據

任何連接外設(尤其是傳感器)的數字接口，都需要確保從器件的內部寄存器正確讀取數據，尤其是在讀取寄存器的過程中數據發生變化的情況下。數據傳輸過程中，如果ADC執行轉換操作并更新寄存器的內容，數據則會發生改變。許多器件帶有內部緩存器(通常不能從外部訪問)，用來存放最新轉換結果。當I2C總線處于空閑狀態時，更新所謂的“用戶可訪問”寄存器內容。

I2C協議每次只傳送1個字節的數據。因此，如果有效數據字長超過8位，并且沒有合理處置傳輸操作，則會引發問題。比如，MAX44000環境光傳感器(ALS)的數據寄存器具有多達14位的數據(另有1位作為溢出標志，表示需要增加計數/亮度設置)。

表1. MAX44000 ALS數據寄存器

我們不能通過I2C直接讀取所有數據ALSDATA[13:0]，需要首先讀取寄存器0x04的內容，然后讀取寄存器0x05的內容，再把這些數據合并到一個至少16位的寄存器內。因此，在讀取這些數據時需要特別謹慎。通過兩次簡單的單字節讀操作(利用STOP (P)條件終止)完成數據讀取，如圖1所示。


圖1. 單字節讀操作

這種方法存在致命缺陷，確切地說，向器件發送STOP條件，返回“用戶可見”的寄存器內容。由此，從寄存器0x04讀取數據后，實際的14位數據可能在讀取0x05寄存器之前已經更新。幾種情形下，這種缺陷可能導致嚴重錯誤。

例如，當MAX44000環境光傳感器處于10位、12位或14位模式時，亮度處于相對穩定狀態，假設亮度在小范圍波動，或許亮度正在緩慢上升，或周圍存在少量噪聲，使得0x04和0x05寄存器的14位數據計數值為255或256，考慮表2中的三種情形。

表2. 誤差圖示說明

State of Registers During First Byte Read (Read 0x04 Only)	State of Registers During Second Byte Read (Read 0x05 Only)	Result (14 Bit)

在后兩種情形下，我們可能讀到0或511，而不是讀255或256，這是一個很嚴重的錯誤。發生這已錯誤的原因在于，第一次和第二次讀操作之間，發出STOP狀態后，寄存器0x04和0x05中的數據被更新。第一種出現問題情形下，第一個字節可以正確讀出，但在讀第二個字節時，總數為256的數據對應的最低位為零，因而，我們從器件中得到讀數0；第二種出現問題的情形下，數據總計數值為256，由于在STOP狀態發出后，第二個字節的數據在讀取之前減少了1，所以顯示為511，圖2給出了多次讀取數據時，這種故障的抽樣情況。


圖2. 多次采樣時，實際讀取單字節的數值

這個問題很容易通過一次讀取2字節數據來避免，如圖3所示。具體操作是，讀取第一個數據字節后，發送REPEATED START (而不是STOP)進行操作，操作非常簡單。通過讀取2個字節，盡管在兩個器件之間發送完全相同的位數，卻可避免器件不恰當地更新I2C寄存器的內容。


圖3. 2字節讀操作示意圖

上述示例適用于MAX44000和MAX44009，進行多次讀操作時不會自動遞增寄存器指針。器件功能各有差異，但工作原理相同。也可以將其很容易地擴展到N字節讀取操作。應用筆記AN3588：“MAXQ2000微控制器軟件I2C驅動”一文給出了幾個C程序示例。