I2C 学习笔记

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种简单、双向、二线制的同步串行通信总线，广泛应用于电子设备中，主要用于连接微控制器（如单片机）和各种外围设备（如传感器、存储器、显示器等）。

1. I2C总线的起源和特点

• 起源：I2C总线由飞利浦公司（现NXP）在1982年开发，最初用于电视内部的芯片间通信。由于其简单、成本低、易于扩展等优点，逐渐被广泛应用。
• 特点
  • 简单：仅需要两根线（数据线SDA和时钟线SCL）即可实现通信。
  • 多主多从：支持多个主设备和多个从设备连接在同一总线上。
  • 低速率：标准速率可达100kbps，快速模式可达400kbps，高速模式可达3.4Mbps。
  • 低功耗：通信信号为电平信号，功耗较低。
  • 易于扩展：可以方便地连接多个设备，且设备地址可以通过硬件引脚或软件配置来区分。

2. I2C总线的硬件连接

• 总线结构
  • SDA（Serial Data Line）：数据线，用于传输数据和地址信息。
  • SCL（Serial Clock Line）：时钟线，由主设备提供，用于同步数据传输。
  • 上拉电阻：I2C总线是开漏（Open-Drain）结构，SDA和SCL线需要通过上拉电阻连接到电源，以保证信号的稳定。
• 设备连接
  • 每个设备通过SDA和SCL连接到总线上。
  • 每个从设备都有一个唯一的7位或10位地址，用于区分不同的设备。
  • 主设备通过地址选择特定的从设备进行通信。

3. I2C总线的通信协议

• 起始条件：SCL为高电平时，SDA从高电平跳变为低电平，表示通信开始。
• 停止条件：SCL为高电平时，SDA从低电平跳变为高电平，表示通信结束。
• 数据传输
  • 数据以字节为单位传输，每个字节包含8位数据。
  • 数据在SCL的上升沿被采样，在下降沿被改变。
  • 每个字节传输完成后，接收方需要发送一个应答信号（ACK）或非应答信号（NACK）。
• 地址传输
  • 主设备首先发送一个7位或10位的从设备地址，加上一个读/写位（R/W）。
  • 从设备通过地址匹配来确定是否响应通信。
• 应答信号
  • 当主设备发送数据时，从设备在每个字节后发送ACK信号。
  • 当主设备读取数据时，从设备发送数据，主设备在每个字节后发送ACK或NACK信号。

4. I2C总线的工作模式

• 主设备模式：负责发起通信，控制时钟信号SCL，并通过SDA发送地址和数据。
• 从设备模式：根据主设备发送的地址和指令，接收或发送数据。
• 多主设备模式：多个主设备可以共享同一总线，通过仲裁机制避免冲突。

5. I2C总线的应用场景

• 传感器通信：如温度传感器、湿度传感器、加速度传感器等，通过I2C总线将数据传输到主控制器。
• 存储器通信：如EEPROM、Flash存储器等，用于存储配置信息或数据。
• 显示设备通信：如I2C接口的LCD或OLED显示屏，用于显示信息。
• 音频设备通信：如I2C接口的音频编解码器，用于音频信号处理。

6. I2C总线的优缺点

• 优点
  • 硬件接口简单，仅需两根线。
  • 支持多主多从通信，易于扩展。
  • 低功耗，适合低功耗设备。
  • 协议简单，易于实现。
• 缺点
  • 速率较低，不适合高速数据传输。
  • 总线负载能力有限，设备过多可能导致通信不稳定。
  • 通信距离较短，通常不超过几米。

I2C总线因其简单、灵活和低功耗的特点，广泛应用于各种嵌入式系统和物联网设备中，是现代电子系统中不可或缺的通信接口之一。
这段代码是基于51单片机的I2C通信协议实现的代码。它包含了I2C通信的基本操作，如启动信号、发送数据、接收数据、应答信号和停止信号等。以下是对代码的详细解释：

1. I2C_Start()

void I2C_Start(){
	SDA=1;
	SCL=1;
	Delay_xms(5);
	SDA=0;
	Delay_xms(5);
	SCL=0;
}

• 功能：生成I2C通信的启动信号。
• 过程：
  1. 将数据线（SDA）和时钟线（SCL）都拉高（SDA=1; SCL=1;）。
  2. 延时5ms（Delay_xms(5);），确保信号稳定。
  3. 将数据线拉低（SDA=0;），保持时钟线为高电平，生成一个下降沿信号，表示通信开始。
  4. 再次延时5ms，确保信号稳定。
  5. 将时钟线拉低（SCL=0;），完成启动信号的生成。

2. I2C_DalaSend(unsigned char date)

void I2C_DalaSend(unsigned char date){
	unsigned char bita=date;
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++){
		SCL=0;
		if(bita & 0x80){
			SDA=1;
		}
		else{
			SDA=0;
		}
		Delay_xms(5);
		SCL=1;
		Delay_xms(5);			
		bita<<=1;	
	}
	SCL = 0;
}

• 功能：发送一个字节的数据。
• 过程：
  1. 将要发送的数据存储到变量bita中。
  2. 通过一个循环发送8位数据：
     • 先将时钟线拉低（SCL=0;）。
     • 检查当前位是否为1（if(bita & 0x80)）。如果是1，则将数据线拉高（SDA=1;），否则拉低（SDA=0;）。
     • 延时5ms，确保信号稳定。
     • 将时钟线拉高（SCL=1;），完成一位数据的发送。
     • 再次延时5ms，确保信号稳定。
     • 将bita左移一位（bita<<=1;），准备发送下一位。
  3. 最后将时钟线拉低（SCL = 0;），结束数据发送。

3. I2C_Sectchar()

bit I2C_Sectchar(){
	bit byte=0;
	SDA=1;
	SCL=1;
	bite=SDA;
	SCL=0;
	return bite;
}

• 功能：接收从设备的应答信号。
• 过程：
  1. 将数据线和时钟线都拉高（SDA=1; SCL=1;）。
  2. 读取数据线的状态（bite=SDA;），判断从设备是否发送了应答信号。
  3. 将时钟线拉低（SCL=0;），完成应答信号的接收。
  4. 返回应答信号的状态（return bite;）。

4. I2C_DalaReceive()

unsigned char I2C_DalaReceive(){
	unsigned char acm=0;
	unsigned char i;
	SDA=1;
	for(i=0;i<8;i++){
		SCL=0;
		Delay_xms(5);
		SCL=1;
		Delay_xms(5);	
		acm=(acm<<1)|SDA;
	}
	SCL = 0;
	return acm;
}

• 功能：接收一个字节的数据。
• 过程：
  1. 将数据线拉高（SDA=1;）。
  2. 通过一个循环接收8位数据：
     • 先将时钟线拉低（SCL=0;）。
     • 延时5ms，确保信号稳定。
     • 将时钟线拉高（SCL=1;），让从设备发送一位数据。
     • 再次延时5ms，确保信号稳定。
     • 读取数据线的状态（SDA），并将接收到的位左移后与之前接收的位组合（acm=(acm<<1)|SDA;）。
  3. 最后将时钟线拉低（SCL = 0;），完成数据接收。
  4. 返回接收到的数据（return acm;）。

5. I2C_Ack(bit nmc)

void I2C_Ack(bit nmc){
	SCL=1;
	SDA=nmc;
	SCL=0;
}

• 功能：发送应答信号。
• 过程：
  1. 将时钟线拉高（SCL=1;）。
  2. 根据参数nmc的值，将数据线设置为高或低（SDA=nmc;）。如果nmc=0，表示发送应答信号；如果nmc=1，表示发送非应答信号。
  3. 将时钟线拉低（SCL=0;），完成应答信号的发送。

6. I2C_Stop()

void I2C_Stop(){
	SDA=0;
	SCL=1;
	SDA=1;
}

• 功能：生成I2C通信的停止信号。
• 过程：
  1. 将数据线拉低（SDA=0;）。
  2. 将时钟线拉高（SCL=1;）。
  3. 将数据线拉高（SDA=1;），生成一个上升沿信号，表示通信结束。

总结

这段代码实现了一个完整的I2C通信流程，包括启动信号、数据发送、数据接收、应答信号和停止信号。通过这些函数，可以与支持I2C协议的设备进行通信。