三大通信协议(二):IIC通信协议

1. 概念

  • 是什么?

I²C(Inter-Integrated Circuit),中文应该叫集成电路总线,它是一种串行通信总线,使用多主从架构,是由飞利浦公司在1980年代初设计的,方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性,它被广泛用于微控制器与传感器阵列,显示器,IoT设备,EEPROM等之间的通信。

  • 优点
    1. 仅需要两条总线即可通讯(大大的节约了IO口资源)
    2. 最大主机数量:无限制。最大从机限制:理论127
      (一个主机多个从机,一对多,多对一,多对多)

2. 硬件连接

  • I²C协议仅需要一个SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)引脚。这两条数据线需要接上拉电阻
  • 上拉电阻使用典型的4.7kΩ
  • 使用I2C设备灌电流不得超过3mA
  • 逻辑0电压不得高于0.4V
    在这里插入图片描述

I²C总线(SDA,SCL)内部都使用漏极开路驱动器(开漏驱动),因此SDA和SCL 可以被拉低为低电平,但是不能被驱动为高电平,所以每条线上都要使用一个上拉电阻,默认情况下将其保持在高电平;
在这里插入图片描述

3. 数据传输协议

主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。
数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输0和1的串行数据。串行数据序列的结构可以分为,开始条件,地址位,读写位,应答位,数据位,停止条件,具体如下所示;

在这里插入图片描述

  1. 主机(Master)发送开始信号给从机(Slave),唤醒所有主从机
  2. 主机发送7位的地址位和1位的读写位给从机
  3. 等待地址匹配从机的应答信号
  4. 主机发送或接收数据到从机
  5. 在传输完每个数据帧后,接收设备将另一个ACK位返回给发送方,以确认已成功接收到该帧:
  6. 结束之后主机发出停止信号

3.1 开始信号

当主设备决定开始通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作:

  1. 先将SDA线从高压电平切换到低压电平;
  2. 然后将SCL从高电平切换到低电平;

在主设备发送开始条件信号之后,所有从机即使处于睡眠模式也将变为活动状态,并等待接收地址位。
在这里插入图片描述

3.2 地址位

7位组成的地址位
主设备如果需要向从机发送/接收数据,首先要发送对应从机的地址,然后会匹配总线上挂载的从机的地址;

3.3 读写位(R/W)

该位指定数据传输的方向:

  • 如果主设备需要将数据发送到从设备,则该位设置为 0
  • 如果主设备需要往从设备接收数据,则将其设置为 1

3.4 应答位(ACK / NACK)

主机每次发送完数据之后会等待从设备的应答信号ACK:

  • 在第9个时钟信号,如果从设备发送应答信号ACK,则SDA会被拉低;
  • 若没有应答信号NACK,则SDA会输出为高电平,这过程会引起主设备发生重启或者停止;
    在这里插入图片描述

3.5 数据位(8Bit)

传输的数据总共有8位,由发送方设置,它需要将数据位传输到接收方。(这个则是cmd或者data)

发送之后会紧跟一个ACK / NACK位,如果接收器成功接收到数据,则设置为0。否则,它保持逻辑1。

  • 8DataBit+AckBit、8DataBit+AckBit…直到数据发送完进行下一次才接上Stop信号

3.6 停止信号

当主设备决定结束通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作:

  1. 先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平;
  2. 再将SCL线从高电平拉到低电平;

具体如下图所示:
在这里插入图片描述

4. 软件编写

4.1 初始化

void IIC_init()//IIC初始化
{
       SCL=1; //首先把时钟线拉高
       delay_us(4);//延时函数
       SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高
       delay_us(4); //延时函数
}

4.2 开始信号

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA,再拉高SCL,空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start()//启动信号
{
       SDA=1; //确保SDA线为高电平
       delay_us(5);
       SCL=1;  //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       //以下这一步产生了开始信号的脉冲
       SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线,即为起始信号
       delay_us(5);
}

4.3 IIC发送一个字节数据

//IIC发送一个字节
//返回: 从机有无应答
//1,有应答
//0,无应答            

//只有当SCL被拉低后,SDA才能被改变
//总结:在SCL为低电平期间,发送数据,发送8次数据,数据为1,SDA被拉高,数据为0,SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定,所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();         
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;   //获取最高位
        //获取数据的最高位,然后左移7位
        //如果某位为1,则SDA为1,否则相反
        if((txd&0x80)>>7)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;       
        delay_us(2);   
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }     
}       

4.4 IIC读取一个字节


//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,表示不再接收数据
    else
        IIC_Ack();         //发送ACK   
    return receive;
}

4.5 停止信号

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA,再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{

	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时,数据由低变高
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

参考资料

I2C协议靠这16张图彻底搞懂(超详细)
IIC原理超详细讲解—值得一看

版权声明:本文为CSDN博主「Su^!-苏释州」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/qq_56030168/article/details/122826043

1. 概念

  • 是什么?

I²C(Inter-Integrated Circuit),中文应该叫集成电路总线,它是一种串行通信总线,使用多主从架构,是由飞利浦公司在1980年代初设计的,方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性,它被广泛用于微控制器与传感器阵列,显示器,IoT设备,EEPROM等之间的通信。

  • 优点
    1. 仅需要两条总线即可通讯(大大的节约了IO口资源)
    2. 最大主机数量:无限制。最大从机限制:理论127
      (一个主机多个从机,一对多,多对一,多对多)

2. 硬件连接

  • I²C协议仅需要一个SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)引脚。这两条数据线需要接上拉电阻
  • 上拉电阻使用典型的4.7kΩ
  • 使用I2C设备灌电流不得超过3mA
  • 逻辑0电压不得高于0.4V
    在这里插入图片描述

I²C总线(SDA,SCL)内部都使用漏极开路驱动器(开漏驱动),因此SDA和SCL 可以被拉低为低电平,但是不能被驱动为高电平,所以每条线上都要使用一个上拉电阻,默认情况下将其保持在高电平;
在这里插入图片描述

3. 数据传输协议

主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。
数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输0和1的串行数据。串行数据序列的结构可以分为,开始条件,地址位,读写位,应答位,数据位,停止条件,具体如下所示;

在这里插入图片描述

  1. 主机(Master)发送开始信号给从机(Slave),唤醒所有主从机
  2. 主机发送7位的地址位和1位的读写位给从机
  3. 等待地址匹配从机的应答信号
  4. 主机发送或接收数据到从机
  5. 在传输完每个数据帧后,接收设备将另一个ACK位返回给发送方,以确认已成功接收到该帧:
  6. 结束之后主机发出停止信号

3.1 开始信号

当主设备决定开始通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作:

  1. 先将SDA线从高压电平切换到低压电平;
  2. 然后将SCL从高电平切换到低电平;

在主设备发送开始条件信号之后,所有从机即使处于睡眠模式也将变为活动状态,并等待接收地址位。
在这里插入图片描述

3.2 地址位

7位组成的地址位
主设备如果需要向从机发送/接收数据,首先要发送对应从机的地址,然后会匹配总线上挂载的从机的地址;

3.3 读写位(R/W)

该位指定数据传输的方向:

  • 如果主设备需要将数据发送到从设备,则该位设置为 0
  • 如果主设备需要往从设备接收数据,则将其设置为 1

3.4 应答位(ACK / NACK)

主机每次发送完数据之后会等待从设备的应答信号ACK:

  • 在第9个时钟信号,如果从设备发送应答信号ACK,则SDA会被拉低;
  • 若没有应答信号NACK,则SDA会输出为高电平,这过程会引起主设备发生重启或者停止;
    在这里插入图片描述

3.5 数据位(8Bit)

传输的数据总共有8位,由发送方设置,它需要将数据位传输到接收方。(这个则是cmd或者data)

发送之后会紧跟一个ACK / NACK位,如果接收器成功接收到数据,则设置为0。否则,它保持逻辑1。

  • 8DataBit+AckBit、8DataBit+AckBit…直到数据发送完进行下一次才接上Stop信号

3.6 停止信号

当主设备决定结束通讯时,需要发送开始信号,需要执行以下动作:

  1. 先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平;
  2. 再将SCL线从高电平拉到低电平;

具体如下图所示:
在这里插入图片描述

4. 软件编写

4.1 初始化

void IIC_init()//IIC初始化
{
       SCL=1; //首先把时钟线拉高
       delay_us(4);//延时函数
       SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高
       delay_us(4); //延时函数
}

4.2 开始信号

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA,再拉高SCL,空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start()//启动信号
{
       SDA=1; //确保SDA线为高电平
       delay_us(5);
       SCL=1;  //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       //以下这一步产生了开始信号的脉冲
       SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线,即为起始信号
       delay_us(5);
}

4.3 IIC发送一个字节数据

//IIC发送一个字节
//返回: 从机有无应答
//1,有应答
//0,无应答            

//只有当SCL被拉低后,SDA才能被改变
//总结:在SCL为低电平期间,发送数据,发送8次数据,数据为1,SDA被拉高,数据为0,SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定,所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();         
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;   //获取最高位
        //获取数据的最高位,然后左移7位
        //如果某位为1,则SDA为1,否则相反
        if((txd&0x80)>>7)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;       
        delay_us(2);   
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }     
}       

4.4 IIC读取一个字节


//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,表示不再接收数据
    else
        IIC_Ack();         //发送ACK   
    return receive;
}

4.5 停止信号

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA,再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{

	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时,数据由低变高
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

参考资料

I2C协议靠这16张图彻底搞懂(超详细)
IIC原理超详细讲解—值得一看

版权声明:本文为CSDN博主「Su^!-苏释州」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/qq_56030168/article/details/122826043

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