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IIC protocol

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IIC协议

IIC简介

内部集成电路 I2C(IIC,Inter－Integrated Circuit) 总线是由Philips公司开发的是一种简单的、半双工同步通信的串行通信接口。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

IIC 主要特性

  • 并行总线/I2C 协议转换器
  • 多主模式功能：同一接口既可用作主模式也可用作从模式
  • IIC 主模式特性：
    • 时钟生成
    • 起始位和停止位生成
  • IIC从模式特性：
    • 可编程 I2C 地址检测
    • 双寻址模式，可对 2 个从地址应答
    • 停止位检测
  • 7 位/10 位寻址以及广播呼叫的生成和检测
  • 支持不同的通信速度：
    • 标准速度（高达 100 kHz）
    • 快速速度（高达 400 kHz）

引脚定义

IIC总线只需要两根引脚就可以实现通信，一根是数据线（SDA Serial Data），另一根是时钟线（SCL Serial Clock），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。

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，可以防止短路，也能节约功耗。

通信流程

在主模式下，I2C 接口会启动数据传输并生成时钟信号。串行数据传输始终是在出现起始位时开始，在出现停止位时结束。起始位和停止位均在主模式下由软件生成。

在从模式下，该接口能够识别其自身地址（7 或 10 位）以及广播呼叫地址。广播呼叫地址检测可由软件使能或禁止。

数据和地址均以 8 位字节传输，MSB 在前。起始位后紧随地址字节（7 位地址占据一个字节；10 位地址占据两个字节）。地址始终在主模式下传送。

在字节传输 8 个时钟周期后是第 9 个时钟脉冲，在此期间接收器必须向发送器发送一个应答位。

  • 空闲状态：SDA引脚和SCL引脚空闲时均为高电平。
  • 开始信号: 在SCL引脚保持高电平期间，SDA引脚的电平被拉低。
  • 数据传输：
    • 主机发送开始信号后，需要发送从器件的地址(1byte = 7bit+1bit),遵循MSB高位先出
    • 在脉冲信号的低电平期间，数据线SDA的电平是正在修改的，此时不允许收发
    • 在脉冲信号的高电平期间，数据线SDA的电平是保持锁存的，此时允许收发
  • 应答信号：在第九个脉冲信号的高电平期间接收方才可以应答，SDA=0 表示应答 SDA=1 表示未应答。
  • 停止信号：在SCL引脚保持高电平期间，把SDA引脚的电平拉高。

主器件和从器件建立联系的顺序：

  • 主器件发送开始信号
  • 主器件向从器件发送器件地址
  • 主器件等待识别到其自身地址的器件应答

模拟IIC时序

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// SCL  --  PB8  输出模式
// SDA  --  PB9  输出模式/输入模式

#define  SDA_SET(n)  (n) ? GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9) : GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9) 
#define  SCL_SET(n)  (n) ? GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8) : GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8) 

#define  SDA_READ    GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_9)

IIC初始化

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void IIC_Config(void)
{
	//1.设置SDA和SCL为输出模式
	IIC_SCLConfig();
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_OUT);

	//2.确保SDA和SCL处于空闲状态
	SDA_SET(1);
	SCL_SET(1);
	delay_us(5);
}

IIC开始信号

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void IIC_Start(void)
{
	//1.设置SDA引脚为输出模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_OUT);

	//2.确保SDA和SCL处于空闲状态
	SDA_SET(1);
	SCL_SET(1);
	delay_us(5);

	//3.把SDA引脚电平拉低
	SDA_SET(0);
	delay_us(5);

	//4.把SCL引脚电平拉低，此时准备数据
	SCL_SET(0);
	//delay_us(5);
}

IIC发送字节

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void IIC_SendByte(uint8_t Byte)   
{
	uint8_t i = 0;
	//1.设置SDA引脚为输出模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_OUT);

	//2.把SCL引脚电平拉低，此时主机准备数据
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);

	//3.循环发送8bit，遵循MSB高位先出
	for(i=7;i>=0;i--)
	{
		//4.判断待发送的字节的最高位
		if( Byte & (i<<i) )
		{
			SDA_SET(1);
		}
		else
			SDA_SET(0);

		delay_us(5);

		//5.把SCL电平拉高，此时从机读取bit
		SCL_SET(1);
		delay_us(5);

		//6.把SCL引脚电平拉低，此时主机准备下一个bit
		SCL_SET(0);
		delay_us(5);
	}
}

判断从机是否应答

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bool  IIC_IsSlaveACK(void)
{
	bool ack;
	
	//1.设置SDA引脚为输入模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_IN);

	//2.把SCL引脚电平拉低，此时为第9个脉冲的低电平，从机准备bit
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);

	//3.把SCL引脚电平拉高，此时为第9个脉冲的高电平，主机读取状态
	SCL_SET(1);
	delay_us(5);

	//4.主机读取状态  1 表示未应答  0  表示已应答
	if(SDA_READ)
		ack = false;
	else
		ack = true;
	
	//5.把SCL引脚电平拉低
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);
	
	return ack;
}

IIC读取字节

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uint8_t IIC_ReadByte(void)
{
	uint8_t i = 0,data = 0;

	//1.设置SDA引脚为输入模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_IN);

	//2.把SCL引脚电平拉低，此时从机准备数据
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);

	//3.循环读取8bit，遵循MSB高位先出
	for (i = 0; i < 8; ++i)
	{
		//4.把SCL电平拉高，此时主机读取bit
		SCL_SET(1);
		delay_us(5);

		//5.主机读取bit
		data <<= 1;
		data |= SDA_READ;
		//delay_us(5);

		//6.把SCL引脚电平拉低，此时从机准备下一个bit数据
		SCL_SET(0);
		delay_us(5);
	}

	//7.返回结果
	return data;
}

接收器向 发送器发送一个应答位（ack=1 表示不应答 ack=0 表示应答）

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void IIC_MasterACK(uint8_t ack)
{
	//1.设置SDA引脚为输出模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_OUT);

	//2.把SCL引脚电平拉低，此时主机准备
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);

	//3.判断ack的状态，从而对SDA操作
	if(ack)
		SDA_SET(1);
	else
		SDA_SET(0);

	delay_us(5);

	//4.把SCL电平拉高，此时从机读取bit
	SCL_SET(1);
	delay_us(5);
	
	//5.把SCL引脚电平拉低
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);
}

IIC停止信号

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void IIC_Stop(void)
{
	//1.设置SDA引脚为输出模式
	IIC_SDAConfig(GPIO_Mode_OUT);

	//2.设置SDA和SCL均为低电平
	SDA_SET(0);
	SCL_SET(0);
	delay_us(5);

	//3.把SCL电平拉高
	SCL_SET(1);
	delay_us(5);

	//4.把SDA电平拉高
	SDA_SET(1);
	delay_us(5);
}

参考文章
STM32F4xx中文参考手册