单片机 - I2C 总线

一、IIC(I2C) 线的作用

               UART总线
PC端(CPU)    <---------->    开发板(STM32U575RIT6)

                            IIC总线
主控芯片(STM32U575RIT6)    <--------->    传感器驱动芯片(SHT20/SI7006空气温湿度传感器)

二、I2C 总线的概念

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        I2C 总线也称为 IIC 总线，中文名：集成电路总线。

        I2C 总线由飞利浦公司设计，是 串行、同步、半双工总线。

        I2C 总线硬件连接为：2 根线（I2C_SCL 时钟线、I2C_SDA 数据线），都为双向，如图 1 所示，SCL 时钟线和 SDA 数据线都会 外接一个上拉电阻。

        I2C 总线的通信速率：

                低速：100 kbps       

                中速：400 kbps       

                高速：3.4 Mbps

        I2C 总线的应用场景：传感器、OLED 屏……

        I2C 总线支持 主从机模式 (Master / Slaver)，支持多主机多从机的模式，一般使用单主机多从机。

                发送器：用于发送数据的设备

                接收器：用于接收数据的设备

                主机：主动发起数据通信 或者 主动结束数据通信的设备

                从机：被动发起数据通信 或者 被动结束数据通信的设备

        每个挂载在 I2C 总线上的设备，都有一个自己唯一的 7 位设备地址（7 位从机地址）

三、I2C 总线的硬件连接

3.1 硬件连接

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I2C 总线有 2 根线   --->   I2C_SCL 时钟线、I2C_SDA 数据线

1. SCL 时钟线：用于将挂载在 I2C 总线上的设备的时钟进行同步
2. SDA 数据线：用于挂载在 I2C 总线上的设备进行数据传输

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I2C 总线的 SCL 时钟线和 SDA 数据线都外接一个上拉电阻

作用：

1. I2C 总线在没用进行数据通信，即 I2C 总线处于空闲的状态时，SCL 时钟线和 SDA 数据线处于高电平状态
2. 外接上拉电阻后，可以一定程度上稳定电路，减少 I2C 总线传输数据的损耗

3.2 单主机多从机的模式

主机：STM32U575RIT6

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从机 1：E2PROM        ---        0x10

从机 2：A / D 模数转换器        ---        0x20

从机 3：时钟日历        ---        0x30

从机 4：空气温湿度传感器SHT20        ---        0x40

1）问题

        主机想要获取从机 4 的数据（主机和从机 4 进行数据通信），由于存在 4 个从机设备，主机如何找到从机 4 空气温湿度传感器？

2）解释

1. 每个挂载在 I2C 总线上的设备，都有自己的一个唯一的 7 位设备地址（7 位从机地址）
2. 主机会向挂载在 I2C 总线上的每个从机设备发送想要通信的从机的设备地址
3. 每个从机都获取到主机发送的从机地址，和自己的从机地址作比较，如果相等就进行通信，不相等就不通信
4. 7 位从机地址不是理论上的内存地址（不占用内存空间），只是一个标识符（数字、ID 号）

3.3 多主机多从机的模式

主机 1：STM32U575RIT6        ---        0x01

主机 2：STM32MP157AAA        ---        0x02

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从机 1：E2PROM        ---        0x10

从机 2：A/D模数转换器        ---        0x20

从机 3：时钟日历        ---        0x30

从机 4：空气温湿度传感器SHT20        ---        0x40

1）举例

        直接编程控制 U5，U5 先给 MP157A 发送数据（命令：让 MP157A 回复数据），当 MP157A 收到命令后，又会回复数据给 U5

主机：STM32U575RIT6

从机：STM32MP157AAA

1. STM32U575RIT6 -> STM32MP157AAA （U5 是发送器，MP157A 是接收器）
2. STM32MP157AAA -> STM32U575RIT6 （MP157A 是发送器，U5 是接收器）

主机和从机都可以担任发送器和接收器的角色，只是区别在于一个是主动、一个是被动

3.3 空气温湿度实验

直接编程控制 -> STM32U575RIT6

获取空气温湿度数据 -> SHT20 / SI7006

                通过IIC总线发送命令
STM32U575RIT6 ---------------------> SHT20/SI7006

                通过IIC总线发送空气温湿度数值                    UART总线
SHT20/SI7006  ------------------------------> STM32U575RIT6 -------------> PC端的串口工具

四、I2C 总线的时序图

时序图：随着时钟线的变化顺序，数据线也产生对应变化 / 操作的图

4.1 起时信号与终止信号的时序图

如图所示：

起始信号（S）：当 SCL 时钟信号处于高电平期间，SDA 数据线从高电平变为低电平 -> 产生一个下降沿信号时，标志着一次 IIC 总线通信的开始；

终止信号（P）：当 SCL 时钟信号处于高电平期间，SDA 数据线从低电平变为高电平 -> 产生一个上升沿信号时，标志着一次 IIC 总线通信的结束。

注意：

1. 当产生一个起时信号后，IIC 总线处于占用状态，此时，IIC 总线的 SLC 时钟线处于低电平状态
2. 当产生一个终止信号后，IIC 总线处于空闲状态，此时，IIC 总线的 SLC 时钟线处于高电平状态
3. 起时信号和终止信号只能由主机产生

4.2 数据传输信号的时序图

如上图所示，为数据传输信号时序图：

1. 数据接收信号：当 SCL 时钟线处于高电平状态时，SDA 数据线上的数据要求稳定，不允许发生变化，此时接收器从 IIC 总线上读取数据；
2. 数据发送信号：当 SCL 时钟线处于低电平状态时，SDA 数据线上的数据允许发生变化，此时发送器可以向 IIC 总线上发送数据。

IIC 总线传输数据时，数据的最小单位为字节（8 位）

时钟周期：一个高电平 + 一个低电平组成的时钟信号的时间

想要完成一次最小单位的数据收发，需要 8 个时钟周期

4.3 应答信号 / 非应答信号的时序图

如图所示：

        主机每 1 个时钟周期向 I2C 总线上传输 1 bit 的数据，I2C 总线的最小传输单位为字节（8 bit）

        I2C 总线每完成一次最小单位的数据传输（需要 8 个时钟周期），接收器在第 9 个时钟周期需要向发送器回复一个应答 / 非应答信号

• 应答信号（1 bit）：0
• 非应答信号（1 bit）：1

存在 2 种情况：

1. 主机发，从机收：
        主机：发送器

        从机：接收器

当主机发送完 1 个字节（8 位）的数据后：

        主机：接收器

        从机：发送器

        从机回复应答信号

---

2. 主机收，从机发：

        主机：接收器

        从机：发送器

当从机发送完 1 个字节（8 位）的数据后：
        主机：发送器

        从机：接收器

        主机回复应答信号

4.4 寻址信号（一种特殊的数据传输信号）

寻址信号：主机发送的用于寻找需要通信的从机的地址信号

1. 寻址信号一定由主机发送，必须跟在起时信号后
2. 从机地址是 7 位，而 I2C 总线最小传输单位为 8 位，需要添加 1 位，才可以发送
3. 添加的 1 位是 R / W 位：

                W（0）：写标志位，代表主机向 IIC 总线上写入数据

                R（1）：读标志位，代表主机要从 IIC 总线上读取数据

主机想要找到0x40的从机 -----> 主机想要IIC总线上的SDA数据线发送0x40 -------> 寻址信号最低位需要为W（0）

从机的设备地址为：0x40

        主机发，从机收：寻址信号 -> (0x40 << 1) | 0

        主机收，从机发：寻址信号 -> (0x40 << 1) | 1

五、IIC 总线的协议格式

IIC 总线协议的组成：起时信号、终止信号、寻址信号、数据传输信号、应答 / 非应答信号

5.1 主机向从机发送 1 个字节数据的协议格式

        首先主机发送一个起时信号后，紧接着发送一个 7 位从机地址和 1 个 W（0）组合的 8 位寻址信号，收到 1 bit 对应从机的 ACK 信号，再接着发送一个 8 位的寄存器地址寻问从机是否有对应地址寄存器，若有，则从机发送一个 ACK 信号，接着主机再发送 8 位的实际数据，从机接收到后发送一个 ACK 信号，接着由主机发送一个上升沿终止信号结束此次 I2C 通信。

5.2 主机向从机发送多个字节数据的协议格式

1）寄存器地址连续

        与发送单个数据不同的是，在发送完第 1 个 8 位实际数据后，在收到从机的 ACK 后，主机会继续发送下一个 8 位数据，数据自动存入 REG + 1 的寄存器中，数据全部发送完毕后，主机发送一个上升沿终止信号结束此次 I2C 通信。

2）寄存器地址不连续

        当寄存器地址不连续时，由于要存的新的 8 位寄存器地址是特殊的数据，跟在寻址信号后，而寻址信号必须在起时信号后，所以要存入新寄存器的话，必须先发送终止信号，随后重新发送起始信号、寻址信号以及新的 8 位寄存器地址。

5.3 主机从从机读取一个字节数据的协议格式

主机从从机读取数据时，为什么要读写转换，即先写后读，不能直接读？

1. 首先主机要先找到从机，向每个从机发送 7 位从机地址，既是发送，就是要先写；
2. 主机找到从机后，要询问从机是否有可用的寄存器地址空间，把 8 位寄存器地址发送给从机，从机判断；
3. 只有找到了从机，并且确认寄存器地址存在，才开始从从机中读取数据。

使用 IIC 总线读取数据时，为什么主机结束通信前要给从机发送一个 NACK 非应答信号？

        这是由主机和从机的特性决定

• 主机：主动发起数据通信或者主动结束数据通信的设备，具备主动性
• 从机：被动接收数据通信或者被动结束数据通信的设备，具备被动性

        如果从机开始给主机发送数据，不让从机停止发送，他会一直发送，就需要主机给从机发送一个NACK信号，告诉从机结束发送。

5.4 主机从从机读取多个字节数据的协议格式

六、分析电路图

6.1 查找引脚

1）找到空气温湿度传感器 SHT20 / SI7006 芯片进行 IIC 总线通信的引脚？

I2C1_SCL        --->        PB6

I2C1_SDA        --->        PB7

七、分析芯片手册（SHT20 / SI7006）

7.1 查找手册的目的

1）查找信息

1. SHT20 / SI7006 从机的从机地址
2. 存储空气温度数据和空气湿度数值的寄存器地址
3. 知道当前空气温湿度传感器支持的检测精度
4. 将空气温湿度模拟量和空气温湿度数字量转换的公式
5. 空气温湿度传感器的工作环境范围

7.2 框图分析

1）总体框图

2）使用 IIC 外设控制器框图

3）GPIO引脚直接模拟IIC总线协议的时序

7.3 手册分析

1）7 位设备地址和读写标志位

2）8 位寄存器地址

hold master：保持主机占用模式（单主机模式）
no hold master：不保持主机占用模式（多主机模式）

 

存储空气温度数字量的寄存器        ---        0xE3
存储空气湿度数字量的寄存器        ---        0xE5

3）测量精度设置

向用户寄存器中的第 7 和第 0 位写入 0b00
指定空气湿度的测量结果为 12 位的数据
指定空气温度的测量结果为 14 位的数据

4）温湿度测量并转化需要的时间

5）温湿度数字量和模拟量转换公式