ARM32开发--IIC原理

在现代消费电子和工业电子领域，各种类型的芯片如微控制器、传感器和存储器等，需要快速且可靠地进行数据交互。为了满足这一需求，I2C（Inter-Integrated Circuit）协议应运而生。I2C协议由飞利浦（现恩智浦半导体）公司开发，它利用两根线（时钟线和数据线）在多个设备之间传输数据，并且支持设备间的地址识别，从而实现设备间的互联互通。

本文将深入探讨I2C通讯的原理、信号传输过程以及软件和硬件实现方法。首先，我们将详细介绍I2C通讯的基本规则和流程，包括数据传输的开始、停止和等待响应的过程。其次，将详述如何在软件中实现I2C通讯，包括数据的发送和接收过程。最后，我们将探讨硬件I2C的工作原理和具体实现内容，以帮助读者深入理解这一通用的总线协议。

目标

理解I2C通讯原理
理解I2C通讯过程中的信号
理解软件I2C实现过程
理解硬件I2C的工作内容

内容

在消费电子、工业电子等领域，会使用各种类型的芯片，如微控制器、电源管理、显示驱动、传感器、存储器、转换器等，它们有着不同的功能。有时需要快速地进行数据交互。为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通，I2C（Inter-Integrated Circuit）协议应运而生。

**I2C协议（或称IIC）**是由飞利浦（现在的恩智浦半导体）公司开发的一种通用的总线协议。它使用两根线（时钟线和数据线）来传输数据，支持多个设备共享同一条总线。 I2C协议通常用于连接微控制器、传感器、存储器和其他外围设备。

I2C通讯规则

I2C总线包括两根信号线：SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）。这两根信号线共用一个总线，因此在总线上可以连接多个设备。在I2C总线上，每个设备都有一个唯一的地址，用于标识设备。

SCL线是时钟线，用于控制数据传输的速度和时序；SDA线是数据线，用于传输实际的数据.

I2C写操作

流程如下:

开始。
发送设备地址，等待从设备响应
发送寄存器地址，等待从设备响应
发送一个字节，等待从设备响应。这个操作是循环执行，直到没有数据。
停止。

I2C读流程

流程如下：

开始。
发送设备地址（写地址），等待从设备响应
发送寄存器地址，等待从设备响应。
开始
发送设备地址（读地址），等待从设备响应
接收一个字节，发送响应给从设备。这个操作是循环执行，直到没有数据。当是最后一个数据时，发送空响应。
停止。

通讯信号

开始

static void start() {
    SDA_OUT();

    SDA(1);
    delay_1us(5);
    SCL(1);
    delay_1us(5);

    SDA(0);
    delay_1us(5);
    SCL(0);
    delay_1us(5);
}

结束

static void stop() {
    SDA_OUT();

    SCL(0);
    SDA(0);

    SCL(1);
    delay_1us(5);
    SDA(1);
    delay_1us(5);
}

发送数据

bit发送

数据有效性：

SCL上升沿到下降沿这个阶段，SDA电平的高低，表示数据bit的1和0
如果SDA电平在这个阶段发生变化，则无效，参考start和stop信号。

Byte发送

基于数据有效性，将byte按bit位变化为高低电平，发送出去。

static void send(uint8_t data) {
    uint8_t i;
    SDA_OUT();

    for(i = 0; i < 8; i++) {
        if(data & 0x80) {
            SDA(1);
        } else {
            SDA(0);
        }
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        SCL(0);
        delay_1us(5);
        data <<= 1;
    }
}

等待响应

wait ack：Acknowledge character。表示等待响应，每发送一个数据，需要确认对方是否收到，就需要等待对方响应。

static uint8_t wait_ack() {
    int8_t retry = 10;

    SCL(0);
    SDA(1);
    SDA_IN();
    delay_1us(5);
    SCL(1);
    delay_1us(5);

    while(SDA_STATE() == 1 && retry > 0) {
        retry --;
        delay_1us(5);
    }

    if(retry <= 0) {
        stop();
        return 1;
    } else {
        SCL(0);
        SDA_OUT();
    }
    return 0;
}

接收数据

bit接收

Byte接收

static uint8_t recv() {
    uint8_t i, data;
    SDA_IN();
    data = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        SCL(0);
        delay_1us(5);
        SCL(1);
        delay_1us(5);

        data <<= 1;

        data |= SDA_STATE();

        delay_1us(5);
    }
    SCL(0);
    return data;
}

发送响应

static void send_ack(){
	// 主机发送ACK响应
	
	// 主机获取SDA控制权，进入输出模式
	SDA_OUT();
	// 拉低SDA
	SDA(0);
	DELAY();
	
	// 拉高SCL
	SCL(1);
	DELAY();
	
	// 拉低SCL
	SCL(0);
	DELAY();	
}

static void send_nack(){
	// 主机发送NACK响应
	// 主机获取SDA控制权，进入输出模式
	SDA_OUT();
	// 拉高SDA
	SDA(1);
	DELAY();
	
	// 拉高SCL
	SCL(1);
	DELAY();
	
	// 拉低SCL
	SCL(0);
	DELAY();
}

总结

I2C协议作为一种高效的通信协议，广泛应用于微控制器、传感器和其他外围设备之间的数据交互。通过本文的学习，我们深入理解了I2C通讯的关键概念和步骤：

通讯原理和信号: I2C协议使用时钟线（SCL）和数据线（SDA）在多个设备之间传输数据，每个设备通过唯一的地址进行识别。
通讯过程: 包括数据的发送（写操作）和接收（读操作）流程，以及等待响应（ACK/NACK）的处理方式。
软件实现: 展示了如何在软件中实现I2C通讯，包括发送数据、接收数据以及等待和发送响应的方法。
硬件实现: 解释了硬件I2C的工作原理，包括控制信号的生成和处理，以及如何在电路中实现I2C接口。

通过对这些内容的学习，读者可以全面掌握I2C协议的运作机制，为在实际应用中使用I2C进行设备间通讯提供了坚实的理论基础和实践指导。