STM32 —— IIC 协议入门
STM32 —— IIC 协议入门
简介
IIC 也称 I²C，是一个多主从的串行总线，属于两线式串行总线，由飞利浦公司开发的用于微控制器( MCU )和外围设备(从设备)进行通信的一种总线，属于半双工同步传输类总线，一主多从(一个主设备(Master)，多个从设备(Slave))的总线结构，总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一 IIC 总线上的其他设备，仅由两条线就能完成多机通讯，一条 SCL 时钟线，另外一条双向数据线 SDA ，IIC 总线要求每个设备 SCL / SDA 线都是漏极开路模式，因此必须带上拉电阻才能正常工作。I²C 协议占用引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，I²C 数据传输速率有标准模式(100kbps)、快速模式(400kbps)和高速模式(3.4Mbps)
IIC 通信与 UART，还有 SPI 统称为串行接口通信，不过它们之间还是有区别的，如UART的负电平逻辑，还有 UART 通信不需要时钟，只需要特定的波特率即可，SPI 与 IIC 都可以有一个主机，多个从机的情况，不过 IIC 适用于短距离传输，如片间通信，摄像头的配置等场景
物理 IIC 接口有两根双向线，串行时钟线（ SCL ）和串行数据线（ SDA ）组成，可用于发送和接收数据，但是通信都是由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输
时序
一个控制器里面可以含有多个 IIC 控制器，一个 IIC 控制器可以挂载多个 IIC 设备，这些 IIC 设备都通过 SDA，SCL 和主机进行通信。
IDLE：
表示总线空闲状态。此状态下时钟信号 SCL 和数据信号 SDL 均为高电 平，此时无 IIC 设备工作
START：
表示起始状态。在 IDLE 状态下，时钟信号 SCL 继续保持高电平，数据信号 SDL 出现由高电平转换为低电平的下降沿，此时产生一个起始信号，与总线相连的I2C设备检测到起始信号之后，进入起始状态等待控制字节的输入
Read or Write：
表示 IIC 设备读写状态
STOP：
表示停止状态。完成数据读写后，SCL 保持高电平，SDL 产生一个由低电平转换为高电平的上升沿信号之后，产生停止信号，总线回到空闲状态
读写时序状态如下：
SCL 为低电平期间，SDA 允许数据变换（1 代表高电平，0 代表低电平）。SCL 为高电平期间，SDA 数据必须保持稳定，因此一个时钟周期传输 1bit 数据，每次传输 8 个 bit 即一个字节，主机将在最后一个数据时钟末释放 SDA 总线使从机应答，在传输完 1 字节数据后的第一个时钟周期 SCL 为高电平，如果 SDA 未被检测到低电平，则视为非应答，代表此次数据传输失败
注意：数据传输是以高位在前，低位在后
传输数据
通信过程
主设备与从设备的一般通信过程
主设备给从设备发送/写入数据
-
主设备发送一个开始( START )信号
-
发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)到从设备，方向(读/写，0 表示写，1 表示读)
-
等待从设备响应( ACK ),从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
-
主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
-
每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（ACK 确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据
-
数据发送完之后，主设备就会发送一个停止( STOP )信号
主设备从从设备接收/读取数据
-
主设备发送一个开始( START )信号
-
发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)到从设备，方向(读/写，0 表示写，1 表示读)
-
等待从设备响应( ACK )从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
-
主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
-
每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（ACK 确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
-
数据发送完之后，一般接收到最后一个数据后会发送一个无效响应( NACK )，主设备就会发送一个停止( STOP )信号。
产生开始信号和停止信号
完整数据发送周期图如下：
开始信号:在 SCL 线为高电平时，SDA 线由高电平变为低电平
结束信号:在 SCL 线为高电平时，SDA 线由低电平变为高电平
将数据发送出去
在 SCL 为高电平时，会将 SDA 上的电平信号传输出去，当 SCL 为低电平时可以改变 SDA 上的电平信号
注意：在传输数据的过程中 SCL 必须保持高电平。第一个发送的数据必须是从设备地址，只有找到从设备地址才可以开始发送下面的信息
IIC 页写与单字节写
IIC 单字节写与页写的最大的区别：单字节写按照 IIC 协议每次写入一个字节，产生一个 stop 信号，页写可以允许写入多个字节数据，但不能超过设备单页包含的最大存储数，写入多个字节后，最终主机发送一个 stop 信号
通信的实现
使用 IIC 控制器实现（硬件 IIC ）
就是使用芯片上的 IIC 外设，也就是硬件 IIC ，它有相应的 IIC 驱动电路，有专用的 IIC 引脚，效率更高，写代码会相对简单，只要调用 IIC 的控制函数即可，不需要用代码去控制 SCL、SDA 的各种高低电平变化来实现 IIC 协议，只需要将 IIC 协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是如果出现问题，就只能通过示波器看波形找问题
使用 GPIO 通过软件模拟实现（软件 IIC ）
软件模拟 IIC 比较重要，因为软件模拟的整个流程比较清晰，哪里出来 bug，很快能找到问题，模拟一遍会对 IIC 通信协议更加熟悉，这就是我们常说的软件 IIC
如果芯片上没有 IIC 控制器，或者控制接口不够用了，通过使用任意 I/O 口去模拟实现 IIC 通信协议，手动写代码去控制 I/O 口的电平变化，模拟IIC协议的时序，实现 IIC 的信号和数据传输
通信协议
IIC 总线协议无非就是几样东西：起始信号、停止信号、应答信号、以及数据有效性
空闲状态
时钟线（ SCL ）和数据线（ SDA ）接上拉电阻，默认高电平，表示总线是空闲状态
从设备地址
从设备地址用来区分总线上不同的从设备，一般发送从设备地址的时候会在最低位加上读/写信号，比如设备地址为 0x50，0 表示读，1 表示写，则读数据就会发送 0x50，写数据就会发送 0x51
起始( START )信号
IIC 通信的起始信号由主设备发起，SCL 保持高电平，SDA 由高电平跳变到低电平
// 起始信号
void IIC_start(void)
{
// 1.首先把数据线设置为输出模式
// 总线空闲, SCL和SDA输出高
SCL = 1;
SDA = 1;
delay_us(5);
// SDA由高变低
SDA = 0;
delay_us(5);
// 拉低SCL开始传输数据
SCL = 0;
}
停止( STOP )信号
IIC 通信的停止信号由主设备终止，SCL 保持高电平，SDA由低电平跳变到高电平
// 停止信号
void IIC_stop(void)
{
// 1.首先把数据线设置为输出模式
// 拉高时钟线
SDA = 0;
delay_us(5);
SCL = 1;
delay_us(5);
// SDA由低变高
SDA = 1;
}
数据有效性
IIC 总线进行数据传送时，在 SCL 的每个时钟脉冲期间传输一个数据位，时钟信号 SCL 为高电平期间，数据线 SDA 上的数据必须保持稳定，只有在时钟线 SCL 上的信号为低电平期间，数据线 SDA 上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当 SCL 是高电平时，数据线 SDA 的变化被规定为控制命令（ START 或 STOP ，也就是前面的起始信号和停止信号）
应答信号( ACK：有效应答，NACK：无效应答 )
接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节( 8 位)数据，在第 9 个时钟周期释放数据线去接收对方的应答
当 SDA 是低电平为有效应答( ACK )，表示对方接收成功
当 SDA 是高电平为无效应答( NACK )，表示对方没有接收成功
发送数据需要等待接收方的应答：
// 等待ACK 1-无效 0-有效
u8 IIC_wait_ack(void)
{
u8 ack = 0;
// 数据线设置为输入
// 拉高时钟线
SCL = 1;
delay_us(5);
// 获取数据线的电平
if(SDA)
{ // 无效应答
ack = 1;
IIC_stop();
}
else
{ // 有效应答
ack = 0;
// 拉低SCL开始传输数据
SCL = 0;
delay_us(5);
}
return ack;
}
接收数据需要向发送方发送应答：
void IIC_ack(u8 ack)
{
// 数据线设置为输出
SCL = 0;
delay_us(5);
if(ack)
SDA = 1; // 无效应答
else
SDA = 0; // 有效应答
delay_us(5);
SCL = 1;
// 保持数据稳定
delay_us(5);
// 拉低SCL开始传输数据
SCL = 0;
}
