STM32基础知识：IIC概述与软件模拟IIC

CHANBAEK 2023-10-26 2076

CHANBAEK

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描述

IIC概述与软件模拟IIC

1 IIC总线概述

1.1 基本概念

内部集成电路（Inter Integrated circuit ）的简称叫做IIC，是一种简单的、半双工同步通信的串行通信接口，IIC总线是上世纪80年代（1982年）由飞利浦公司设计出来，当时的目的是为了给MCU和外围芯片提供更简单的交互方式。

1.2 引脚说明

IIC总线只需要两根引脚就可以实现通信，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，所有通过IIC接口通信的外围器件都挂载在IIC总线上，通过这种机制就可以实现多机通信。

mcu

可以看到，外围器件的时钟线和数据线都是挂载在IIC总线（由主控芯片提供），并且在空闲状态下所有器件的时钟线SCL和数据线SDA都被总线的上拉电阻拉高，这样就可以把SDA引脚和SCL引脚设置为开漏模式即可，好处是防止短路。

每个挂载在IIC总线上的外围器件都有独立的器件地址，主机发送开始信号后，只需要发送想要通信的设备的地址，如果设备收到地址并且匹配正确，则开始进行单独通信。

1.3 通信速率

IIC总线支持不同的通信速率，但是一般常用的标准速率100KHZ，但是有的外围器件可以支持高达400KHZ的通信速率，而由于IIC总线是半双工通信，所以同一时刻只能接收或者发送，也就是说，IIC总线一般是为了控制，不适合作为大量数据传输的接口。

1.4 通信过程

接口可以下述4种模式中的一种运行：

  • 从发送器模式
  • 从接收器模式
  • 主发送器模式
  • 主接收器模式

默认状态下工作于从模式 。 接口在生成起始条件后自动地从从模式切换到主模式 （谁先发送开始信号，谁就作为主机）。当仲裁丢失或产生停止信号时，则从主模式切换到从模式，从而实现多主模式功能。

通信流

  • 主模式时，I2C接口启动数据传输并产生时钟信号。串行数据传输总是以起始条件开始并以停止条件结束。起始条件和停止条件都是在主模式下由软件控制产生。
  • 从模式时，I2C接口能识别它自己的地址(7位或10位)和广播呼叫地址。软件能够控制开启或禁止广播呼叫地址的识别。
  • 数据和地址按8位/字节进行传输，高位在前。跟在起始条件后的1或2个字节是地址(7位模式为1个字节，10位模式为2个字节)。地址只在主模式发送。
  • 在一个字节传输的8个时钟后的第9个时钟期间，接收器必须回送一个应答位(ACK)给发送器。参考下图。

mcu

可以看到，在建立通信的时候主机需要发送 开始信号 ，紧接着主机需要发出从器件的 设备地址 （7bit+1bit），从设备的物理地址是7bit，但是由于只有一根数据线，就需要说清楚数据的传输方向，数据的传输方向通过从设备的地址最低位进行表示（最低位是0，表示写操作，最低位是1，表示读操作），IIC总线提供了 应答机制 ，也就是说从机收到了1个字节的数据之后，会在第九个脉冲发送给主机一个应答信号(1bit)，如果主机收到从机的应答信号，则主机可以继续发送数据，反之，如果主机没有收到从机发送的应答信号，那主机就不应该继续发送数据，而是应该主动发出一个 停止信号 ，表示停止通信。

2 软件模拟IIC的实现

2.1 IIC初始化

// ---------- software_iic.h ----------
#ifndef __SOFTWARE_IIC_H__
#define __SOFTWARE_IIC_H__

#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"

#define DLY_TIM_Handle (&htim1)


// SCL: PB10, SDA: PB11
#define IIC_SCL_PORT GPIOB
#define IIC_SCL_PIN  GPIO_PIN_10
#define IIC_SDA_PORT GPIOB
#define IIC_SDA_PIN  GPIO_PIN_11

#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

#define IIC_SCL_WRITE_UP()    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define IIC_SCL_WRITE_DOWN()  HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define IIC_SDA_WRITE_UP()    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define IIC_SDA_WRITE_DOWN()  HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define IIC_SDA_READ()        HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)

void delay_us(uint16_t nus);

void IIC_Init(void);
void IIC_SDA_OutputMode(void);
void IIC_SDA_InputMode(void);
void IIC_StartSignal(void);
void IIC_StopSignal(void);
void IIC_SendBytes(uint8_t data);
uint8_t IIC_ReadBytes(void);
uint8_t IIC_WaitACK(void);
void IIC_MasterACK(uint8_t ack);

#endif

// ---------- software_iic.c ----------
void IIC_Init(void)
{
  // 初始化SCL和SDA为开漏输出
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();
  IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE(); 

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);

  // 初始化SCL和SDA为高电平
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  IIC_SDA_WRITE_UP();
}

2.2 IIC模式

// SDA输出模式
void IIC_SDA_OutputMode(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

// SDA输入模式
void IIC_SDA_InputMode(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2.3 开始信号

mcu

开始信号由主机发出，表示打算和所有的从器件进行通信，IIC总线规定在SCL时钟线保持高电平期间，把SDA数据线拉低，表示开始信号。

// IIC开始信号
void IIC_StartSignal(void)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 设置SDA为输出模式

  // 确保SCL和SDA都是高电平 
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  IIC_SDA_WRITE_UP();

  // 拉低SDA，产生一个下降沿
  // 一般常用的IIC总线标准速率为100kHz，即每个时钟周期为10us，故SDA低电平应持续5us
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();  // SDA拉低
  delay_us(6);           // 为了保证兼容性，这里延时6us

  // 拉低SCL，表示准备通信
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();  // SCL拉低
}

如何实现微秒级的延时可以参考下文

STM32基于HAL库实现微秒延时

2.4 停止信号mcu

停止信号由主机发出，表示不打算和从器件继续通信，IIC总线规定在SCL时钟线保持高电平期间，把SDA数据线拉高，表示停止信号。

// IIC停止信号
void IIC_StopSignal(void)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 设置SDA为输出模式

  // 确保SCL和SDA都是低电平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  // 拉高SCL，产生一个上升沿
  // 一般常用的IIC总线标准速率为100kHz，即每个时钟周期为10us，故SCL高电平应持续5us
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  delay_us(5);
  
  IIC_SDA_WRITE_UP(); // 拉高SDA，表示通信结束
  delay_us(5);        // 确保SDA的电平可以被其他器件检测到
}

2.5 数据发送

mcu

在主机发送开始信号后，就可以发送数据或者地址，IIC总线规定数据的收发都是 MSB （高位先出），由于只有一个数据线，所以IIC采用串行方式把数据的每个bit位发出去。

由于SCL提供的脉冲周期是有规律的，所以IIC总线规定只能在SCL脉冲周期的高电平期间进行数据的读取或者写入，在SCL脉冲周期的低电平期间可以进行数据的修改。

// 主机发送数据
void IIC_SendBytes(uint8_t Data)
{
  uint8_t i = 0;

  IIC_SDA_OutputMode();  // 设置SDA为输出模式
      
  // 确保SCL和SDA都是低电平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  // 开始发送8位数据
  for (i = 0; i < 8; i++)
  {
    // SCL低电平期间主机准备数据
    if (Data & (1 < < (7 - i))) // 判断数据的第7-i位是否为1
    {
      IIC_SDA_WRITE_UP();  // 如果为1，SDA拉高
    }
    else
    {
      IIC_SDA_WRITE_DOWN();// 如果为0，SDA拉低
    }
    delay_us(5); // 至此，数据准备完毕

    // 拉高SCL，主机发送数据
    IIC_SCL_WRITE_UP();    
    delay_us(5); // 至此，数据发送完毕

    // 拉低SCL，准备发送下一个数据
    IIC_SCL_WRITE_DOWN();
    delay_us(5);
  }
}

2.6 数据接收

mcu

在主机发送开始信号后，就可以发送数据或者地址，IIC总线规定数据的收发都是MSB（高位先出），由于只有一个数据线，所以IIC采用串行方式把数据的每个bit位发出去。

由于SCL提供的脉冲周期是有规律的，所以IIC总线规定只能在SCL脉冲周期的高电平期间进行数据的读取或者写入，在SCL脉冲周期的低电平期间可以进行数据的修改。

// 主机接收数据
uint8_t IIC_ReadBytes(void)
{
  uint8_t i = 0;
  uint8_t Data = 0; // 用于存储接收到的数据

  IIC_SDA_InputMode();  // 设置SDA为输入模式

  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 确保SCL为低电平

  // 开始接收8位数据
  for (i = 0; i < 8; i++)
  {
    // 拉高SCL，主机准备接收数据
    IIC_SCL_WRITE_UP();
    delay_us(5);  // 至此，从机数据准备完毕，主机开始接收

    if (IIC_SDA_READ() == 1)   // 主机收到1
    {
      Data |= (1 < < (7 - i));  // 将收到的1存储到Data的第7-i位
    }

    /* 由于Data初始化为0000 0000，所以不需要else语句
    else // 收到0
    {
      Data &= ~(1 < < (7 - i)); // 将收到的0存储到Data的第7-i位
    }
    */
    
    // 拉低SCL，主机准备接收下一个数据
    IIC_SCL_WRITE_DOWN();
    delay_us(5);
  }
  return Data;  // 返回接收到的数据
}

2.7 应答信号

mcu

IIC总线增加了应答机制，在主机发送一个字节数据之后，从机在第9个脉冲周期进行应答，如果SDA为0，则表示应答，如果SDA=1，则表示无应答，如果从机没有应答，则主机应该发送停止信号，表示停止通信。这里分为两种情况:

第一种：主机发送数据，从机进行应答

// 主机发送数据，从机进行应答
uint8_t IIC_WaitACK(void)
{
  uint8_t ack;
  IIC_SDA_InputMode();  // 设置SDA为输入模式

  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 确保SCL是低电平
  delay_us(5); 

  IIC_SCL_WRITE_UP();  // 拉高SCL，主机准备接收从机的应答信号
  delay_us(5);         // 至此，从机应答信号准备完毕，主机开始接收

  // 如果从机应答信号为0，表示从机接收到数据
  if (IIC_SDA_READ() == 0)
  {
    ack = 0;
  }
  else // 如果从机应答信号为1，表示从机没有接收到数据
  {
    ack = 1;
  }
  
  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 拉低SCL，主机忽略数据
  delay_us(5);

  return ack;  // 返回从机的应答信号
}

第二种：从机发送数据，主机进行应答

// 从机发送数据，主机进行应答，0表示应答，1表示不应答
void IIC_MasterACK(uint8_t ack)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 设置SDA为输出模式

  // 确保SCL和SDA都是低电平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  if (ack == 0) // 如果ack为0，表示主机应答
  {
    IIC_SDA_WRITE_DOWN(); // SDA拉低
  }
  else // 如果ack为1，表示主机不应答
  {
    IIC_SDA_WRITE_UP();   // SDA拉高
  }
  delay_us(5);  //  至此，应答信号准备完毕

  // 拉高SCL，主机发出应答信号
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  delay_us(5);  // 至此，应答信号发送完毕

  // 拉低SCL，从机忽略数据
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  delay_us(5);
}
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