一文徹底搞懂I2C總線

01 I2C通信協(xié)議簡介

I2C通信協(xié)議在嵌入式IC中應(yīng)用的特別廣泛，所以今天給大家詳細(xì)的講解一下，有解釋的不正確或不合理的地方歡迎大家提出意見。

IIC是一種半雙工串行同步通信協(xié)議，由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成串行總線，可用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通常是由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備被動響應(yīng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

02 I2C硬件原理圖

SDA： 數(shù)據(jù)線（雙向）
SCL： 時鐘線（主機控制）

因為I2C總線接口是開漏輸出（見下面的電氣特性圖），所以SDA和SCL必須接上拉電阻?。ㄒ话氵x用4.7K~10K的電阻）。

I2C總線上可以掛載多個主設(shè)備，以及多個從設(shè)備，在從機沒有收到主機的地址訪問信息前從機不會主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

03 I2C接口電氣特性

04 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸起始和停止條件

起始條件： 在SCL為高電平期間，SDA產(chǎn)生一個下降沿信號
停止條件： 在SCL為高電平期間，SDA產(chǎn)生一個上升沿信號

模擬I2C起始和停止信號的程序（基于STM32）

//程序中的宏定義
#define HIGH  1
#define LOW    0
/* IO方向設(shè)置 */
#define SDA_IN()  {GPIOA- >CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOA- >CRH|=(uint32_t)8< 
#define SDA_OUT() {GPIOA- >CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOA- >CRH|=(uint32_t)3< 
/* IO操作 */
#define IIC_SCL(n)  (n?HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_RESET)) //SCL
#define IIC_SDA(n)  (n?HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_11,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_11,GPIO_PIN_RESET)) //SDA
#define READ_SDA    HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_11)          //輸入SDA

//產(chǎn)生IIC起始信號
void IIC_Start(void)
{
  SDA_OUT();//sda線輸出
  IIC_SDA(HIGH);        
  IIC_SCL(HIGH);
  delay_us(4);
   IIC_SDA(LOW);//START:when CLK is high,DATA change form High to low 
  delay_us(4);
  IIC_SCL(LOW);//鉗住I2C總線，準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù) 
}


//產(chǎn)生IIC停止信號
void IIC_Stop(void)
{
  SDA_OUT();//sda線輸出
  IIC_SCL(LOW);
  IIC_SDA(LOW);//STOP:when CLK is high DATA change form low to High
   delay_us(4);
  IIC_SCL(HIGH); 
  IIC_SDA(HIGH);//發(fā)送I2C總線結(jié)束信號
  delay_us(4);                   
}

05 數(shù)據(jù)傳輸格式

1. 在SCL的每個時鐘脈沖期間傳輸 1 個數(shù)據(jù)位；
2. 地址由 7 bit 構(gòu)成，最低位為讀寫命令，0：寫，1：讀
3. SDA數(shù)據(jù)線上的 1 個字節(jié)由 8 個數(shù)據(jù)位組成，字節(jié)可以是設(shè)備地址、寄存器地址，也可以是寫入或從從機讀取的數(shù)據(jù)；
4. 首先傳輸數(shù)據(jù)的是最高有效位（MSB）；
5. 在啟動和停止條件之間，可以將任意數(shù)量字節(jié)的數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳輸?shù)綇脑O(shè)備；
6. 在時鐘周期的高相位期間，SDA線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，因為SCL高時數(shù)據(jù)線上的變化被解釋為控制命令（啟動或停止）；

應(yīng)答信號

Acknowledge (ACK) and Not Acknowledge (NACK)；

數(shù)據(jù)的每個字節(jié)（包括地址字節(jié)）后面跟著來自接收器的一個ACK位，ACK位允許接收機與發(fā)射機進行通信，告知該字節(jié)已成功接收，并可發(fā)送另一個字節(jié)，這其實是I2C總線的一種數(shù)據(jù)校驗方式。

在接收機發(fā)送ACK之前，發(fā)射機必須釋放SDA線路。為了發(fā)送ACK位，接收器應(yīng)在ACK/NACK相關(guān)時鐘周期（第9個周期）的低相位期間拉低SDA線，以便在ACK/NACK相關(guān)時鐘周期的高相位期間SDA線穩(wěn)定在低電平，同時必須考慮設(shè)置和保持的時間。

當(dāng)然，主機也有可能會接收到費應(yīng)答信號NACK：

接收到非應(yīng)答信號NACK可能有以下原因：

1.接收器無法接收或發(fā)送，因為它正在執(zhí)行某些實時功能，并且尚未準(zhǔn)備好開始與主機通信;

2.在傳輸過程中，接收器獲取其不理解的數(shù)據(jù)或命令;

3.在傳輸過程中，接收器無法再接收任何數(shù)據(jù)字節(jié);

4.主接收器數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢，默認(rèn)NACK信號的從機發(fā)過來的;

等待應(yīng)答信號和產(chǎn)生應(yīng)答信號程序：

//主機等待從機應(yīng)答信號
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
  uint8_t ucErrTime=0;
  SDA_IN();//主機SDA設(shè)置為讀取模式
  IIC_SDA(HIGH);//主機釋放SDA信號線
  delay_us(1);
  IIC_SCL(HIGH);
  delay_us(1);
  while(READ_SDA)//等待并讀取SDA狀態(tài)
  {
    ucErrTime++;
    if(ucErrTime >250)//等待超時后結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳輸
    {
      IIC_Stop();
      return 1;
    }
  }
  IIC_SCL(LOW);//時鐘輸出0      
  return 0;  
} 


//產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號
void IIC_Ack(void)
{
  IIC_SCL(LOW);
  SDA_OUT();
  IIC_SDA(LOW);
  delay_us(2);
  IIC_SCL(HIGH);
  delay_us(2);
  IIC_SCL(LOW);
}


//產(chǎn)生NACK非應(yīng)答信號        
void IIC_NAck(void)
{
  IIC_SCL(LOW);
  SDA_OUT();
  IIC_SDA(HIGH);
  delay_us(2);
  IIC_SCL(HIGH);
  delay_us(2);
  IIC_SCL(LOW);
}

06 主機通過I2C總線向從機設(shè)備寫數(shù)據(jù)

I2C總線按照如下示意圖向指定設(shè)備指定寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)：

I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)的過程

0.主機發(fā)送一個起始信號；

1.主機發(fā)送從機設(shè)備地址，最低位為0，表示寫命令，R/W=0；

2.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

3.主機發(fā)送設(shè)備寄存器地址；

4.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

5.主機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)；

6.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

8.主機接收從機上傳的一個字節(jié)數(shù)據(jù)（一般情況下只發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)）；

9.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

10.主機繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，等待從機應(yīng)答信號，重復(fù)步驟8和9；

11.主機發(fā)送一個停止信號；

主機模擬I2C發(fā)送數(shù)據(jù)代碼實現(xiàn)（基于STM32）

//發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd)
{                        
    uint8_t t;   
  SDA_OUT();
    IIC_SCL(LOW);
    for(t=0;t< 8;t++)
    {              
        IIC_SDA((txd&0x80) >>7);
        txd< <=1;     
    delay_us(2);                              
    IIC_SCL(HIGH);
    delay_us(2); 
    IIC_SCL(LOW);
    delay_us(2);
    }   
}
//I2C總線向設(shè)指定設(shè)備指定寄存器寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)
//devaddr:設(shè)備地址
//addr:寄存器地址
//data:待發(fā)送數(shù)據(jù)
void iicDevWriteByte(uint8_t devaddr,uint8_t addr,uint8_t data)
{                                                      
  IIC_Start();//起始信號
  IIC_Send_Byte(devaddr);//發(fā)送從機設(shè)備地址
  IIC_Wait_Ack();     
  IIC_Send_Byte(addr);//發(fā)送寄存器地址
  IIC_Wait_Ack();                                 
  IIC_Send_Byte(data);//發(fā)送數(shù)據(jù)
  IIC_Wait_Ack();               
  IIC_Stop();//停止信號
}


//I2C總線向指定設(shè)備指定地址連續(xù)寫多個字節(jié)數(shù)據(jù)
//devaddr:設(shè)備地址
//addr:寄存器地址
//len:發(fā)送數(shù)據(jù)的長度
//wbuf:待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存
void iicDevWrite(uint8_t devaddr,uint8_t addr,uint8_t len,uint8_t *wbuf)
{
  int i=0;
  IIC_Start();//起始信號
  IIC_Send_Byte(devaddr);//發(fā)送從機設(shè)備地址，發(fā)送寫命令，R/W=0
  IIC_Wait_Ack();  

  IIC_Send_Byte(addr);//寄存器地址
  IIC_Wait_Ack();  

  for(i=0; i< len; i++)
  {
    IIC_Send_Byte(wbuf[i]);  
    IIC_Wait_Ack();//等待ACK信號
  }
  IIC_Stop( );//停止信號
}

07 主機通過I2C總線讀取從機發(fā)送數(shù)據(jù)

I2C總線按照如下示意圖從指定從機的指定寄存器讀取數(shù)據(jù)：

I2C總線讀取數(shù)據(jù)的過程

0.主機發(fā)送一個起始信號；

1.主機發(fā)送從機設(shè)備地址，最低位為0，表示寫命令，R/W=0；

2.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

3.主機發(fā)送設(shè)備寄存器地址；

4.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

5.主機重復(fù)發(fā)送一個起始信號；

6.主機發(fā)送從機設(shè)備地址，最低位為1，表示讀命令，R/W=1；

7.主機等待接收從機的應(yīng)答信號；

8.主機接收從機上傳的一個字節(jié)數(shù)據(jù)；

9.若主機發(fā)送ACK應(yīng)答信號，繼續(xù)接收從機數(shù)據(jù)；若主機發(fā)送NACK非應(yīng)答信號，停止接收數(shù)據(jù)；

10.主機發(fā)送一個停止信號；

主機模擬I2C接收數(shù)據(jù)代碼實現(xiàn)（基于STM32）

//讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)
//ack=1時，發(fā)送ACK，表示還有數(shù)據(jù)待繼續(xù)讀取
//ack=0時，發(fā)送NACK，表示停止讀取數(shù)據(jù)
uint8_t IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
  unsigned char i,receive=0;
  SDA_IN();//SDA設(shè)置為輸入
    for(i=0;i< 8;i++ )
  {
        IIC_SCL(LOW); 
        delay_us(2);
    IIC_SCL(HIGH);
        receive< <=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
    delay_us(1); 
    }           
    if (!ack)
        IIC_NAck();//發(fā)送nACK
    else
        IIC_Ack();//發(fā)送ACK   
    return receive;
}


//從指定設(shè)備指定寄存器地址讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)
//ReadAddr:開始讀數(shù)的地址  
//temp:讀到的數(shù)據(jù)
uint8_t iicDevReadByte(uint8_t devaddr,uint8_t addr)
{          
  uint8_t temp=0;                                             
  IIC_Start();//起始信號
  IIC_Send_Byte(devaddr);//發(fā)送從機設(shè)備地址，發(fā)送寫命令，R/W=0
  IIC_Wait_Ack(); 

  IIC_Send_Byte(addr);//發(fā)送寄存器地址
  IIC_Wait_Ack();  


  IIC_Start();//Repeated START
  IIC_Send_Byte(devaddr|1);//發(fā)送從機設(shè)備地址，發(fā)送讀命令，R/W=1
  IIC_Wait_Ack();

  temp=IIC_Read_Byte(0);       
  IIC_Stop();//停止信號
  return temp;
}


//從指定設(shè)備指定寄存器地址連續(xù)讀取多個字節(jié)數(shù)據(jù)
//devaddr:從機設(shè)備地址
//addr:寄存器地址
//len:字節(jié)總長度
//rbuf:讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)
void iicDevRead(uint8_t devaddr,uint8_t addr,uint8_t len,uint8_t *rbuf)
{
  int i=0;
  IIC_Start();//起始信號
  IIC_Send_Byte(devaddr);//發(fā)送從機設(shè)備地址，發(fā)送寫命令，R/W=0
  IIC_Wait_Ack();  

  IIC_Send_Byte(addr);//發(fā)送寄存器地址
  IIC_Wait_Ack();  


  IIC_Start();//Repeated START
  IIC_Send_Byte(devaddr|1);//發(fā)送從機設(shè)備地址，發(fā)送寫命令，R/W=1
  IIC_Wait_Ack();
  for(i=0; i< len; i++)
  {
    if(i==len-1)
    {
      rbuf[i]=IIC_Read_Byte(0);//全部數(shù)據(jù)接收完畢，主機發(fā)送NACK信號，產(chǎn)生停止信號
    }
    else
      rbuf[i]=IIC_Read_Byte(1);//數(shù)據(jù)未全部接收完，主機發(fā)送ACK信號，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)
  }
  IIC_Stop( );//停止信號
}