I2C总线详解-优快云博客

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（1）概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，该总线由NXP（原PHILIPS）公司设计，多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

经常ＩＩＣ和ＳＰＩ接口被认为指定是一种硬件设备，但其实这样的说法是不尽准确的，严格的说他们都是人们所定义的软硬结合体，分为物理层（四线结构）和协议层（主机，从机，时钟极性，时钟相位）。

ＩＩＣ，ＳＰＩ的区别不仅在与物理层，ＩＩＣ比ＳＰＩ有着一套更为复杂的协议层定义。下面来分别说明一下ＩＩＣ的物理层和协议层。

（２）ＩＩＣ的物理层

a．只要求两条总线线路，一条是串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ。（IIC是半双工，而不是全双工）。

b.每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信，主机/从机角色和地址可配置，主机可以作为主机发送器和主机接收器。

c.IIC是真正的多主机总线，（而这个SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏。

d.传输速率在标准模式下可以达到100kb/s,快速模式下可以达到400kb/s。

e.连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制。

一个典型的IIC接口如下图（1）所示

图（1）

（3）IIC的协议层

IIC的协议层才是掌握IIC的关键。现在简单概括如下：

a.数据的有效性

在时钟的高电平周期内，SDA线上的数据必须保持稳定，数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。

如图（2）所示：

图（2）

b.起始和结束条件

起始条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由高到低的跳变被定义为起始条件，结束条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由低到高的跳变被定义为停止条件，要注意起始和终止信号都是由主机发出的，连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。总线在起始条件之后，视为忙状态，在停止条件之后被视为空闲状态，对起始条件和结束条件的描述如下图（3）所示。

图（3）

c.应答

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，如图（4）所示。

图（4）

d.数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。{这里小编在驱动MPU6050模块的时候，就犯过这样的错误，它写的MPU6050从机地址是0x68,因为发送从机地址的时候，要加一位读写方向位，因为刚开始应该是向这个MPU6050里写从机里某个寄存器的地址，所以应该是7位地址 0x68(1101000)+二进制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向该IIC设备里写东西，然后再紧接着写入IIC设备里的寄存器地址，而我直接写入了0x68,导致出错}，每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

在总线的一次数据传输过程中，可以有以下几种组合方式：

[1]

主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示 数据由从机向主机传送。

A 表示应答(低电平)， A 非表示非应答（高电平）。 S 表示起始信号， P 表示终止信号。

[2]主机在第一个字节后，立即从从机读数据:

[3]在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相：

一般情况下，[3]是比较常见的，比如MPU6050模块，

发送起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+0(表示写)，

等待从机应答

发送一个字节的MPU6050加速度存储寄存器地址，

等待从机应答

再发送一次起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+1（表示读）

等待从机应答

读取MPU6050传感器数据

主机非应答

e.IIC信号的模拟

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。即使是含有IIC硬件的单片机（如stm32 103系列）也有一定的缺陷，所以一般也会模拟IIC的时序。现将具体时间截图如下：

具体的程序代码如下：

#include “myiic.h”

//模拟IIC驱动PCF8563 PB13=SCL,PB12=SDA,PA0=INT 晶振为32.768KHz.

//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

/*Configure GPIO pins : PB12 PB13 */

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);//PB12,PB13输出高
}

void Delay(uint8_t i) //us级延时
{
uint8_t k;
uint8_t j=32;
uint8_t temp=i*j;
for(k=0;k<temp;k++);
}

//配置SDA为输出模式
void SDA_OUT()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

/*Configure GPIO pins : PB12 */

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

//配置SDA为输出模式
void SDA_IN()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

/*Configure GPIO pins : PB12 */

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT ;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sda线输出
IIC_SDA_H;
IIC_SCL_H;
Delay(4);
IIC_SDA_L;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
Delay(4);
IIC_SCL_L;//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_L;
IIC_SDA_L;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
Delay(4);
IIC_SCL_H;
IIC_SDA_H;//发送I2C总线结束信号
Delay(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
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
uint8_t ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SDA_H;
Delay(1);
IIC_SCL_H;
Delay(1);
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12))
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL_L;//时钟输出0
return 0;
}
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL_L;
SDA_OUT();
IIC_SDA_L;
Delay(2);
IIC_SCL_H;
Delay(2);
IIC_SCL_L;
}
//不产生ACK应答
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL_L;
SDA_OUT();
IIC_SDA_H;
Delay(2);
IIC_SCL_H;
Delay(2);
IIC_SCL_L;
}
//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(uint8_t txd)
{
uint8_t t;
SDA_OUT();
IIC_SCL_L;//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_H;
else
IIC_SDA_L;
txd<<=1;
Delay(2); //对TEA5767这三个延时都是必须的
IIC_SCL_H;
Delay(2);
IIC_SCL_L;
Delay(2);
}
}
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
uint8_t IIC_Read_Byte(void)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL_L;
Delay(2);
IIC_SCL_H;
receive<<=1;
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_12))
receive++;
Delay(1);
}
// if (!ack)
// IIC_NAck();//发送nACK
// else
// IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}

IIC总线