【通信协议】I2C总线（一主多从）

我不吃代码2024-08-19 10:59

目录

I2C简介

硬件电路

软件模拟初始化

基本单元

起始信号

停止信号

发送一个字节

接收一个字节

发送应答

接收应答

I2C基本单元代码

MyI2C.h

MyI2C.c

完整数据帧

学习资料分享

本博客使用软件模拟的代码进行I2C总线​​​​​​（*总线指多个设备共用的信号线）*协议中一个主机和多个从机之间的通信。更多内容见博客末学习资料分享

I2C简介

I2C ，全称为内部集成电路（Inter－Integrated Circuit） 总线*，* 是由Philips公司开发一种串行通信的总线协议，通常用于连接低速 外设，允许将多个设备连接到一条总线上，主要解决了微控制器一对多通信的问题。

特点

  • 同步，半双工
  • 带数据应答
  • 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）
  • 仅用两根通信线：SCL串行时钟线，SDA串行数据线
  • 仅用于短距离通信
  • 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式，传输的最高速率取决于总线上最慢的设备。

由于芯片内建的电平稳定器（如施密特触发器或者结电容），芯片需要一段时间完成对总线电平的采样，所以IIC的速度不能太快。

I2C总线具有双向传输、系统集成、多设备共享等优点，但传输速度相对较低，时序要求严格且最长电缆长度有限等缺点。

主从机

在一主多从的I2C下，主机为微控制器，从机为其他设备，例如：含有SCL,SDA引脚的OLED，MPU6050模块。

主机在 I2C 总线上启动所有通信，并为所有从设备提供时钟。

从机都有一个独立的（7位或10位）地址，主机可以通过地址选择来确定与谁进行通信

通信线

一个 I2C 总线只使用两条总线，一条双向串行数据线 (SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。

SCL总线：Serial Clock，串行时钟线，为数据收发提供必要的同步时钟

由主机产生，从机被动读取

SCL低电平，SDA 的数据无效，一般在这个时候 SDA 进行电平切换，为SCL高电平时做好准备

SCL高电平，发送端需要保持数据稳定，接收端读取一位数据

SDA总线：Serial Data，串行数据线，用于通讯，可表示通讯的开始，结束和数据的传输

在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答（即主机接收数据和应答）的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机

硬件电路

假如I2C总线设备SDA配置为推挽输出，某一时刻，如果有两个设备同时要发送数据，一个发送高电平，一个发送低电平。

单片机I2C通信入门(上)：硬件部分有哪些注意点?_哔哩哔哩_bilibili

这条通路短路了，必定会有一个元器件烧毁，为避免这样事情发生，所以I2C总线对于设备的IO口，做了一些阉割，去掉了上面的MOS管，这样就不可能存在短路的情况了。不过这样设备只能输出低电平 ，不能输出高电平，为了输出高电平，采用上拉电阻拉高。

禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构

总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。不管几个同时输出低电平，都是低电平。

I2C通讯设备间的常用连接方式

I2C总线上设备的SCL与SDA

1.上拉电阻阻值一般为4.7KΩ左右。具体取决于总线的电容负载和通信距离

2.SCL虽然在一主多从模式下可以用推挽输出，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式，因为在多主机模式下会利用到这个特征

3.开漏输出加上拉电阻，所以I2C信号的抗干扰能力是比较弱的，它只适合于，同一块电路板上的芯片之间进行通信，并不适合超过30厘米电路板之间的通信

软件模拟初始化

软件I2C的优势在于不需要特定的硬件支持，可以在任何支持GPIO功能的微控制器上实现。它利用了微控制器的通用IO引脚来实现I2C通信协议。

通过配置寄存器设置微控制器的GPIO为开漏输出模式

本篇博客以STM32为例

cpp 复制代码 
void MyI2C_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);  //高阻态，由总线上拉电阻拉高
}

void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
	Delay_us(10);
	return BitValue;
}

基本单元

I2C 的协议定义了空闲状态，通讯的起始和停止信号，数据传输，响应信号等基本单元

空闲状态：SCL与SDA均由外部上拉电阻拉高

起始信号

起始信号：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

空闲状态时，主机并不想进行通讯，所有I2C总线设备（包括主机）均为输入模式，SCL与SDA均由上拉电阻拉高。主机想要进行通讯，必须要有起始条件告诉从机，通讯的开始。

主机将 SDA（串行数据）拉低并使 SCL（串行时钟）保持高电平以启动地址帧。它提醒所有从机传输即将开始。

起始信号，从机在SCL高电平时接收数据，其接收到主机主导的SDA的下降沿（主机从输入模式下由上拉电阻产生的高电平变成开漏输出的低电平），代表主机为输出模式，要发数据了。之后主机将SCL拉低，准备更改SDA数据（SCL低电平发送端更改数据）。

cpp 复制代码 
//主机产生起始信号
void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
}


/* MyI2C_W_SDA(1);
   MyI2C_W_SCL(1);
这两条代码在起始条件下可以不调用，但这里为了兼容指定位置读数据帧中，从机应答位后的重复起始条件
主机应先将SDA输出1（开漏输出模式时由上拉电阻拉高），再将主机主导的SCL置1（开漏输出模式时由上拉电阻拉高）.

从机应答位后给主机应答则SDA为0，不给应答SDA为1
如果先将SCL置1，主机再将SDA输出1，SCL高电平期间，SDA可能由0（从机给应答）置1（主机开漏输出模式时由上拉电阻拉高）误让从机收到结束信号
*/

停止信号

停止信号，从机在SCL高电平时接收数据，其接收到主机主导的SDA的上升沿（主机从开漏输出的低电平变成输入模式下由上拉电阻产生的高电平 ），代表主机为输入模式，不要发数据了，通讯结束。主机在发送停止信号后不能再向从设备发送任何数据，除非再次发送起始信号

停止信号 ：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

cpp 复制代码 
void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}
/*
  MyI2C_W_SDA(0);
  停止信号之前SCL已经为低电平，SCL为低电平时，主机可以改变SDA数据。为停止信号做准备
*/

发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行）

然后释放SCL（高电平），主机保持SDA没有数据变化，从机将在SCL高电平期间读取数据位，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

如果SCL高电平期间，SDA有数据变化，从机就会认为是起始或终止条件

cpp 复制代码 
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
         //SCL在发送字节的上个基本单元已经为0
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
		MyI2C_W_SCL(1);
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}

接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后主机释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

如果SCL高电平期间，SDA有数据变化，主机就会认为是起始或终止条件

cpp 复制代码 
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i, Byte = 0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);//主机释放SDA
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MyI2C_W_SCL(1);
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}

发送应答

I2C还提供了一种称为"ACK/NACK"（应答/非应答）的确认机制。如果一个设备接收到数据，它将通过在SDA线上拉低电平来发送一个应答信号以通知发送方数据已被接收。相反，如果数据被损坏或未接收，接收设备将发送非应答信号。（在SDA上保持高电平）。

每传输8个位，就会留下一个位用于监听，这个位由接受数据的芯片返回"是否应答成功"。

发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

发送应答了，从机就会再发一个字节；不应答，表示主机不想接收数据了，从机不发送，交出SDA控制权

应答信号

非应答信号

cpp 复制代码 
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
   //SCL在发送应答的上个基本单元已经为0
	MyI2C_W_SDA(AckBit);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SCL(0);
}

接收应答

主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答

主机在接收之前，需要释放SDA，释放SDA代表主机切换为输入模式

cpp 复制代码 
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;
	MyI2C_W_SDA(1);//主机释放SDA
	MyI2C_W_SCL(1);
	AckBit = MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);
	return AckBit;
}

I2C基本单元代码

基本单元的模块代码

MyI2C.h

cpp 复制代码 
#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H

void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);

#endif

MyI2C.c

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
	Delay_us(10);
	return BitValue;
}

void MyI2C_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);
}

void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
}

void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}

void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
		MyI2C_W_SCL(1);
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}

uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i, Byte = 0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MyI2C_W_SCL(1);
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}

void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SCL(0);
}

uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	AckBit = MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);
	return AckBit;
}

完整数据帧

待续。。。

学习资料分享

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| 资料来源 | 链接 |
| 嘉立创（文档） | 1. I2C协议 | 立创开发板技术文档中心 (lckfb.com) |
| myfreax（文档） | I2C 通信协议详解 | myfreax |
| 野火（文档） | 1. I2C --- [野火]STM32模块例程介绍 文档 (embedfire.com) |
| 江协科技（代码） | [10-3] 软件I2C读写MPU6050_哔哩哔哩_bilibili |
| 立功科技（手册） | IIC总线协议105.doc (suda.edu.cn) |

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