I2C总线原理详解

I2C两线式串行总线通讯协议，它是由飞利浦开发的，主要用于连接微控制器及其外围设备之间，它是由数据线SDA和信号线SCL构成的，可发送和接收数据即在MUC和I2C设备之间，I2C和I2C之间进行全双工信号传输，高速I2C总线一般可达到400kbps。一般我们也称为TWI接口。

I2C支持多主机模式：

 

即在这个主线上可以挂载n个I2C外设。

对于I2C协议，其实也很简单，不要想的那么复杂，其实就是电平的变换。我们可以人为的分为6个部分

整体时序图：

 

各状态：

• 空闲状态

 

I2C总线的SCK和SDA两个线同时处于高电平的时候，规定为总线的空闲状态，这个就是由总线上的上拉电阻把电平拉高的。

• 起始信号

 

当SCL为高电平期间，SDA由高电平变成低电平，即为起始信号。启动信号是一种电平跳变时序信号，不是一个电平信号。

• 停止信号

当SCL为高电平期间，SDA由低电平变为高电平，即为停止信号。停止信号也是一种电平跳变时序信号，不是一个电平信号。

• 应答信号

 

发送器每发送一个字节（8bit）数据，就在时钟脉冲（SCL）9期间释放数据线（SDA），再由接收器来反馈一个应答信号，应答信号为低电平的时候，规定为有效应答位(ACK:应答位)，表明接收器已经成功的接收了该字节，应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK：非应答位），表示接收器没有成功的接收该字节。

对于反馈有效应答位（ACK）：接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA拉低，并且保证在该时钟的高电平期间，SDA为稳定的低电平。大家主要看图，看看是不是这样的。

要是接收器是主控器，那么它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据的发送，并且释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。

• 数据的有效性

 

时钟信号（SCL）为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟信号（SCL）为低电平期间，数据线上的高电平或者低电平才能发生变化。

数据必须在时钟信号（SCL）的上升沿到来之前就准备好，并且在数据信号的下降沿来到之前必须稳定。

• 数据的传输

在SDA上的每一个位的数据的传输都需要一个时钟脉冲，即在SCL串行时钟的配合下，SDA上逐位的串行发送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

示例代码讲解

• 初始化IIC

 

其实就是对两个线的初始化，我这里使用的是PA6和PA7，开始都设置为输出，中途会改变PA7的输入输出属性，在空闲状态，我们知道SCL和SDA是被拉高的，所以这个地方我们给高电平。

• 产生IIC起始信号

 

 

将SDA线设置为输出，然后SDA和SCL都设置为高电平，延迟4us，然后将SDA拉低，延迟4us，最后将SCL拉低。这其实就是协议规定的动作了。

• 产生IIC停止信号

 

同样的道理，和协议的时序保持一致就好了。

• 等待应答信号到来

 

首先我们需要把SDA设置为输入，因为接收方要给发射方返回一个应答信号的。就是在SCL第9个高电平的时候，释放信号线，先拉高，然后持续等待，是不是有应答信号返回，其实就是返回一个低电平，所以我们一直在检测READ_SDA这个电平，持续一段时间，要是没有返回的话，我们认为超时了，就直接停止协议了，

• 产生应答信号

 

即在第9个时钟周期内，SDA都为低电平，为应答

• 不产生应答信号

 

即在第9个时钟周期内，SDA都为高电平，为不应答

• IIC发送一个字节

 

 

发送数据，SDA设置为输出。SCL拉低，SDA准备。

做一个8次循环，拿出1byte的数据，将你发送的数据和0x80作与运算，拿出最高位，然后右移7位，将这个数据放到最低位，这个数据要是1的话，那么SDA输出一个高电平，要是与后的结果为低电平的话，那么SDA输出一个低电平。这都属于准备发送信号阶段。

然后SCL拉高，完成数据的发送，然后SCL拉低，此时SDA也就可以拉低了，接着开始次高位的传输，直到传输完成。

• 读取数据

 

读取数据，SDA要设置为输入了。SCL开始为低电平，然后SCL为高电平，我们开始读SDA上的数据，然后左移数据，将读取的数据放在低位。然后检测一下有没有应答。

其实基本思路就是这样了。我把源码附上：

i2c.h

#ifndef __MYIIC_H #define __MYIIC_H #include "sys.h" #include "stm32f10x_gpio.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

i2c.c

#include "myiic.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); 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; }

 

　　审核编辑：汤梓红