嵌入式必备知识-IIC协议原理解析

正点原子 · 发表于 2021-11-8 10:44:52

本帖最后由正点原子于 2022-1-7 17:38 编辑

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嵌入式必备知识-IIC协议原理解析

IIC概述：

   IIC(Inter-IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备，IIC也被成为I2C，其实两者是完全相同的，只是名词不一样而已。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。

IIC特点：

   ① 数据线SDA：数据线用来传输数据;时钟线SCL：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 总线支持设备连接个数：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是400pF的限制决定，如以下图所示：

IIC的协议层详解

1.有效数据：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。

   2.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，如以下图所示：

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，如下图所示：

      注意：注意起始和终止信号都是由主机发出的，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。

   3.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。

   注意：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

4.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。

写操作：S为起始信号，SLAVEADDRESS从机地址(7bit)+W(0)一共8位，有阴影的部分是主机发送的，而没有阴影部分是从机发送到主机的，A/A非(0/1)，P代表停止信号。

读操作：S为起始信号，SLAVEADDRESS从机地址(7bit)+R(1)一共8位，有阴影的部分是主机发送的，而没有阴影部分是从机发送到主机的，A(应答)/A非(0/1)，P代表停止信号，注意：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(nbyte + 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。

如何编写IIC驱动代码：

1.起始信号代码编写：

/* 产生IIC起始信号 */
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); /* sda线输出 */
IIC_SDA=1; /* ① */
IIC_SCL=1; /* ② */
delay_us(5); /* ③ */
IIC_SDA=0; /* ④ */
delay_us(5); /* ⑤ */
IIC_SCL=0; /* ⑥ */
}

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上述起始信号函数①代表上图的①，而函数②代表上图②，其他类似。

2.停止信号代码编写：

/* 产生IIC停止信号 */
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT(); /* sda线输出 */
IIC_SCL=0; /* ① */
IIC_SDA=0; /* ② */
delay_us(5); /* ③ */
IIC_SCL=1; /* ④ */
IIC_SDA=1; /* ⑤ */
delay_us(5); /* ⑥ */
}
/* 产生ACK应答 */
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0; /* ① */
SDA_OUT(); /* sda线输出 */
IIC_SDA=0; /* ② */
delay_us(5);
IIC_SCL=1; /* ③ */
delay_us(5); /* ④ */
IIC_SCL=0; /* ⑤ */
}

复制代码

上述起始信号函数①代表上图的①，而函数②代表上图②，其他类似。

3.主机产生应答代码编写：

/* 不产生ACK应答 */
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0; /* ① */
SDA_OUT(); /* sda线输出 */
IIC_SDA=1; /* ② */
delay_us(2);
IIC_SCL=1; /* ③ */
delay_us(4); /* ④ */
IIC_SCL=0; /* ⑤ */
}

复制代码

上述起始信号函数①代表上图的①，而函数②代表上图②，其他类似。

4.主机产生非应答代码编写：

/* 不产生ACK应答 */
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0; /* ① */
SDA_OUT(); /* sda线输出 */
IIC_SDA=1; /* ② */
delay_us(2);
IIC_SCL=1; /* ③ */
delay_us(4); /* ④ */
IIC_SCL=0; /* ⑤ */
}

复制代码

   述起始信号函数①代表上图的①，而函数②代表上图②，其他类似。

   5.等待从机发送应答信号代码编写：

   思路：先让SDA=1，再判断在一定时间内SDA是否变为0，从而识别出外设有没有发送应答信号。

/* 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*/
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入 */
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA) /* 获取SDA电平*/
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0; /* 时钟输出0 */
return 0;
}

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第一步.设置SDA为输入

第二步.拉高SDA：主要判断从机应答就是把SDA拉低。

第三步.拉高SCL：数据稳定就是有效数据。

第四步.等待接收器返回应答信号，如果数据线SDA一直为高，就一直等待ucErrTime大于250，并返回1(无效应答)，如果数据线SDA为低，返回0(有效应答)。

6.IIC发送一个字节发送一个字节的代码编写：

思路：数据传输过程中，数据传输保持稳定(在SCL高电平期间，SDA一直保持稳定，没有跳变)，只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变在SCL为高电平期间(有效数据时间段)，发送数据，发送8次数据，如果数据为1,显然SDA是被拉高;如果数据为0，那么SDA被拉低。

/* 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(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0; /* ① */
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; /* ② */
txd<<=1; /*③ */
delay_us(2); /* 对TEA5767这三个延时都是必须的*/
IIC_SCL=1; /* ④ */
delay_us(2);
IIC_SCL=0; /* ⑤ */
delay_us(2);
}
}

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一开始为什么①把IIC_SCL=0;因为主要IIC_SCL上升沿时准备好数据就是稳定有效数据，例如我们发送txd = 0xA1为例：

②：0xA1&0x80为0xA0，0xA0为10100000然后右移7位得到1，如以下图所示：

   重点绿色的位，就是为1。

   ③：0xA1左移1位，如以下图所示：

   所以txd = 0x20,懂不?我们重点取绿色的框框。

   ④：IIC_SCL拉高就是为了SDA线上的数据必须保持稳定。

   ⑤：IIC_SCL拉低，为了上升沿时准备好数据就是稳定有效数据。

   其他从②到⑤执行，一样的道理。

   所以经过八次for循环发送数据我们SDA就发送了0xA1。

   7.IIC读1个字节的代码编写：

/* 读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK */
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();/* SDA设置为输入*/
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();/* 发送nACK */
else
IIC_Ack(); /* 发送ACK */
return receive;
}

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上述也挺简单理解，首先我们先拉低SCL，延时后拉高就是为了读取有效的数据。例如我们读取从机发送的数据为0x05,换成二进制为00000101，然后for循环八次读取，例如READ_SDA为0那么就是receive<<=1为00000000，知道从机发送的00000101这个位时，READ_SDA为1，那么receive++为1，所以再一次receive<<=1为00000001，注意红色标点就是我们第一次发的那个位，最后第八次时候receive<<=1为00000101，然后主机发送应答的话就是继续读取从机的数据，如果主机发送非应答信号，那么从机发送数据结束。

如果我们使用IIC读取AT24C0X的EEPROM，请参考对应的手册，这里我们只讲解IIC驱动如何编写以及原理分析。

嵌入式必备知识-IIC协议原理解析

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