【STM32】-IIC通讯

原创已于 2025-07-03 09:05:34 修改 · 771 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2025-05-23 14:36:21 首次发布

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1 IIC 通讯协议简介

1、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，使用多主从架构，用于连接微控制器以及其低速外围设备。IIC是半双工通信方式。
IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源，但在任何时间点上只能有一个主控。
它是由数据线 SDA 和时钟线 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。
在这里插入图片描述
优点：节省微处理器的IO口资源

IIC 支持的传输速率如下：
由于一个SCL时钟周期只能传输1bit数据，时钟频率（KHz）和数据传输速率（bit/s）在相同的概念。
传输速率的选择，应该查看挂载在其上面器件的datasheet，选择一个合适的速率。
iic相关参考资料：传输速率

模式	速率
标准模式（Standard Mode）	100Kb/s
快速模式（Fast Mode）	400Kb/s
高速模式（High Mode ）	3.4 Mb/s

Tips： KBps和Kbps不同,B是Byte,b是bit,1Byte = 8bit。如100Kbps，即 100/8 = 12.5KB/s

时钟线和数据线的功能配置：
在IIC 通讯中，主控的时钟线（SCL）一直是输出状态；而由于IIC 是半双工通讯，因此数据线（SDL）可能是数据输入，也可能是数据输出。

2、IIC 串行总线协议

IIC 总线时序图
1、起始信号
当 SCL 为高电平期间，SDA 由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。
2、停止信号
当 SCL 为高电平期间，SDA 由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。
3、应答信号
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。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；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。
观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间将 SDA 线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在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发送，并释放 SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。
4、数据有效性
IIC 总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，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。数据在 SCL 的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
5、数据传输
在 I2C 总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在 SCL 串行时钟的配合下，在 SDA 上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
6、空闲状态
IIC 总线的 SDA 和 SCL 两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

1.2、IIC 读写通讯过程

1.2.1、写操作通讯

写操作过程
主机首先在 IIC 总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0(写操作)组成的 8bit 数据，所有从机接收到该 8bit 数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。注意：IIC 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。

1.2.2、读操作通讯

读操作过程
主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1(读操作)组成的 8bit 数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址。那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回 8bit 数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。

1.3、IIC 通讯的特点

（1）总线由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的串行总线，数据线用来传输数据，时钟线用来同步数据收发。
（2）总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，所以我们只需要知道器件的地址，根据时序就可以实现微控制器与器件之间的通信。
（3）数据线 SDA 和时钟线 SCL 都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。
（4）总线上数据的传输速率在标准模式下可达 100kbit/s 在快速模式下可达 400kbit/s 在高速模式下可达 3.4Mbit/s。
（5）总线支持设备连接。在使用 IIC 通信总线时，可以有多个具备 IIC 通信能力的设备挂载在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容 400pF 的限制决定。

3、 IIC 硬件设计

IIC 总线挂载多个器件
IIC 连接原理图

IIC 从机设备都有自己的设备地址，一般包括可编程部分和不可编程部分。可编程部分一般由设备的硬件引脚决定，从机设备地址的最后一位常用于设置数据的传输方向。

4、常见问题

4.1、IIC 可以挂载多少个器件

IIC协议规定，在启动总线后第1字节的高7位是从节点的寻址地址，其中高四位为器件类型识别符，接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作，所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定，7位寻址地址减去1个广播地址0x00不用，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127个地址，所以理论上可以挂127个从器件。

4.2、IIC 总线的仲裁

总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。
I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。