IIC协议

发布于：2022-12-02 ⋅ 阅读:(908) ⋅ 点赞:(0)

IIC协议

IIC协议

STM32—IIC协议

IIC 简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。
在 CPU 与被控 IC 之间、 IC 与 IC 之间进行双向传送， 高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

IIC物理层

IIC总线的硬件，是由一根数据线SDA，一根时钟线SCL构成。不同的器件，都是并联接在这两条线上，I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。
SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的
SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序的

在这里插入图片描述

IIC总线通过上拉电阻接到电源VCC，电阻大小要根据设备实际测量。
总线空闲的时候，SDA和SCL都是高电平。
当其中一个设备拉低总线，整条线就全是低电平，器件与器件之间“与”关系。

IIC特点

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。

  • IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
  • IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
  • IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
  • 支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）
  • SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。
  • IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信，IIC协议首先是发送从机硬件地址，然后发送命令，再发送数据/寄存器编号或者读取数据。IIC协议可以多字节连续读写数据。
  • 各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。

IIC协议层

I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答

信号。

  • 开始信号： SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

  • 结束信号： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

  • 应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，

表示已收到数据。 CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU 接

收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为

受控单元出现故障。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

IIC 总线时序图

在这里插入图片描述

IIC基本读写过程

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

起始信号S有主机的IIC接口产生，这时连接到主机的所有设备都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机开始等待主机广播下来的从机的地址信号，在总线上，所有从机的地址都是唯一的，当主机广播的地址与设备的地址匹配后，这个设备就被选中，地址不匹配的设备会忽略之后的数据信号。从机的地址信号可以时7位和10位的。

主机发送完地址信号后接着发送传输方向的选择位，0表示数据的传输方向由主机传至从机，即主机写数据，1表示数据的传输方向由从机传至从机，及主机读数据。

从机匹配地址后，会返回一个应答（ACK）或非应答信号（NACK），主机只有接收到从机的应答信号后，主机才能继续向从机发送数据。（写数据过程） 读数据过程即主机要向从机发送应答或非应答信号，从机只有收到主机发送的应答信号，才能继续向主机发送数据
写数据
当配置的方向传输位为“读数据”方向时，主机广播完地址，并接收到从机的应答信号时，主机开始正式向从机传输数据，一次传输的 数据大小为8位，主机每发送完一个字节后，都要等待从机的应答信号，可以重复这个过程。当像停止发送数据时，主机向从机发送一个停止信号（P），表示不在传输数据。
读数据
当配置的方向传输位为“读数据”方向时，主机广播完地址，并接收到从机的应答信号 后，从机开始向主机发送数据，数据的大小为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号，可重复此过程。当主机向停止接收数据时，就向从机发送一个非应答信号（NACK），则主机自动停止发送数据。
读和写数据
IIC更常用的是复合格式，该传输过程有两次起始信号（S）。一般在第一次传输中，主机通过地址找到设备后，发送一段数据，这段数据通常用于表示该设备内部寄存器或存储器的地址；第二次传输中，则对该地址进行读或写。 （第一次告诉从机要读写的地址，第二次才真正进行数据的传输)

信号的起始（S）和停止信号（P）

当SCL为高电平SDA来一个下降沿意味着通讯的开始。当SCL为高电平SDA来一个上升沿代表通讯的结束。

在这里插入图片描述

初始(空闲)状态

因为IIC的 SCL 和SDA 都需要接上拉电阻，保证空闲状态的稳定性

所以IIC总线在空闲状态下SCL 和SDA都保持高电平

开始信号

SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时(>4.7us)，SCL变为低电平。

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA，再拉高SCL，空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sda线输出
	IIC_SDA=1;	//首先把时钟线拉高
    delay_us(5);
	IIC_SCL=1;  //首先把时钟线拉高
	delay_us(5);
    
 	IIC_SDA=0;//START:在SCL为高时拉低SDA线，即为起始信号
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}

停止信号

停止信号：SCL保持高电平。SDA由低电平变为高电平。

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA，再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sda线输出
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	delay_us(4); //STOP:当SCL高时，数据由低变高
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

SCL=1时 数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

在这里插入图片描述

地址及数据方向

设备地址可以是７位或１１位，数据传输方向位和７位地址位一起传送。读数据方向时（相当于从机向主机写数据)由从机控制SDA线，写数据方向时，SDA由主机控制。

响应

当设备接收数据后，若希望对方继续发送，则向对方发送应答信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收方不想接收数据时，则向对方发送非应答信号，发送方接收到非应答信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

在这里插入图片描述

传输时主机产生时钟，通讯开始后，发送端发送完地址及传输方向位信号时（前８位)，第九位时数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA ,若SDA为高电平，表示产生非应答信号，低电平表示产生应答信号。

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

  • 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；

    //主机产生应答信号ACK
//1.先拉低SCL，再拉低SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0; //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(5);
	IIC_SCL=0;
}

  • 应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

    //主机不产生应答信号NACK
//1.先拉低SCL，再拉高SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;//先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;//拉高SDA，不产生应答信号
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(5);
	IIC_SCL=0;
}

  • 等待应答信号

    //等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//       0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDA设置为输入  
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)// #define READ_SDA   PBin(7)  //输入SDA 
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	 
	return 0;  
}

IIC数据传输

数据传送格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

IIC发送一个字节

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答			  
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=txd&0x80;   //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后数据左移一位
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
		if((txd&0x80)>>7)
			IIC_SDA=1;
		else
			IIC_SDA=0;
		txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
}

IIC读取一个字节数据

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

IIC代码

IIC.h

#ifndef __IIC_H
#define __IIC_H
#include "sys.h"

//IO方向设置
 
#define SDA_IN()  {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)8<<28;}
#define SDA_OUT() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)3<<28;}

//IO操作函数	 
#define IIC_SCL    PBout(6) //SCL
#define IIC_SDA    PBout(7) //SDA	 
#define READ_SDA   PBin(7)  //输入SDA 

//IIC所有操作函数
void IIC_Init(void);                //初始化IIC的IO口				 
void IIC_Start(void);				//发送IIC开始信号
void IIC_Stop(void);	  			//发送IIC停止信号
void IIC_Send_Byte(u8 txd);			//IIC发送一个字节
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack);//IIC读取一个字节
u8 IIC_Wait_Ack(void); 				//IIC等待ACK信号
void IIC_Ack(void);					//IIC发送ACK信号
void IIC_NAck(void);				//IIC不发送ACK信号

void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr,u8 addr,u8 data);
u8 IIC_Read_One_Byte(u8 daddr,u8 addr);	  
#endif

IIC.c

#include "IIC.h"
#include "delay.h"

//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{					     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );	//使能GPIOB时钟
	   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7); 	//PB6,PB7 输出高
}
//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sda线输出
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}	  
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sda线输出
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDA设置为输入  
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	   
	return 0;  
} 
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答		    
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}					 				     
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答			  
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	  SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
		if((txd&0x80)>>7)
			IIC_SDA=1;
		else
			IIC_SDA=0;
		txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
} 	    
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

IIC协议的数据读写三种方式

IIC协议单向发送数据

比如显示设备，一般情况下只需要写入数据，传输过程如下：
在这里插入图片描述

  1. 首先是起始信号S
  2. 然后是发送7位从机地址+传输方向位，0写
  3. SCL拉高，判断ACK，再拉低SCL
  4. 发送第1个字节，一般情况下都是指令，或者寄存器地址
  5. SCL拉高，判断ACK，再拉低SCL
  6. 发送第2个字节，一般情况下都是数据
  7. SCL拉高，判断ACK，再拉低SCL
  8. 可以继续传输数据，或者停止

IIC协议发送地址后立即读取数据

比如传感器设备，一般情况下只需要读出数据，传输过程如下：
在这里插入图片描述

  1. 首先是起始信号S
  2. 然后是发送7位从机地址+传输方向位，1读
  3. SCL 拉高，判断ACK，再拉低SCL
  4. 读取第1个字节，一般情况下都是指令，或者寄存器地址
  5. 发送应答ACK
  6. 读取第2个字节，一般情况下都是数据
  7. 发送应答ACK，或者不应答NACK
  8. 可以继续传输数据，或者停止

IIC协议先制定寄存器地址，再读取该寄存器的数据

比如存储芯片，一般情况下要先制定存储地址，再读取数据。传输过程如下：

在这里插入图片描述

  1. 首先是起始信号S
  2. 然后是发送7位从机地址+传输方向位，0写
  3. SCL 拉高，判断ACK，再拉低SCL
  4. 写数据，一般是写某个寄存器地址或者指令
  5. SCL拉高，判断ACK，再拉低SCL
  6. 再次起始信号S
  7. 然后是发送7位从机地址+传输方向位，1读
  8. SCL拉高，判断ACK，再拉低SCL
  9. 读取第四步写的寄存器地址的数据
  10. 发送应答ACK，或者不应答NACK
  11. 可以继续传输数据，或者停止。

IIC实现的方式

IIC实现的方式主要有两种，硬件IIC和软件模拟IIC

软件IIC是使用程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。一般较硬件IIC稳定，但是程序较为繁琐，但不难。

硬件IIC程序员只要调用IIC的控制函数即可，不用直接的去控制SCL,SDA高低电平的输出。但是有些单片机的硬件IIC不太稳定，调试问题较多。

硬件IIC、软件模拟IIC的区别

模拟IIC 硬件IIC
用法 流程更清楚一些 用法比较复杂
速度 速度快、效率高、可以使用DMA
适用管脚 任何管脚 固定管脚
稳定性 稳定 不太稳定

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