I2C通讯协议详解

2024-02-15 19:02:05

I2C协议总结

两个方面

物理层电气特性
协议层

I2C基本读写过程
#写过程
通讯复合格式

通讯信号的判断

通讯的起始和停止信号
数据有效性
地址及数据方向
响应信号

通讯过程
部分代码讲解

总结

**顺便找一下玩过stm32+ESP8266+onenet的大佬**

两个方面

不知道大家是不是有我这种情况，学完STM32之后，感觉学了个寂寞。

大佬说的话听都听不懂，所以复习一波深入了解一下原理

今天要说的就是I2C通讯协议，刚学不知道这些协议是干嘛用的，了解了之后才发现，不得不会呀，就比如OLED mpu6050 EEPROM巴拉巴拉巴拉。。。总之就是很常用。好了废话说完了。
我们从两个方面来介绍I2C协议
1–>物理层
2–>协议层

物理层电气特性

1：它是一个支持多设备的总线，总线的意思就是多个设备共用的信号线，一个总线中可以挂载多个设备。

2：包括两条总线，即串行时钟线（SCL）C代表clock的意思就是时钟，以及串行数据线(SDA)D代表Data也就是数据的意思。顾名思义，SDA用来传输数据，而SCL用来保持收发同步。

3： I2C总线上可以挂载多个设备，那么是怎么来确认发到哪个从机上呢？**其实每个设备在I2C总线上都有自己的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。**地址可以是7位或者11位。

4：总线通过上拉电阻接到电源。这一点可能很多人不了解，我对照着上面的图详细说一下。在计算机逻辑里：
高电平代表 1 （高阻态）
低电平代表 0
在设备空闲或者输出1时，我们输出的并不是高电平而是高阻态！

高阻态，顾名思义嘛，电阻很大，那么就取无穷大喽。
表示空闲状态时：假设图中触摸屏空闲时输出零电压， SCL总线就会被拉低，此时如果传感器工作，输出一个高电平，此时的触摸屏是0V，传感器是高电平，就会造成短路。如果我们给触摸屏一个高阻态，相当于断路。此时我们令传感器的电压为高电平，那么整个SCL总线就被拉高了。

**表示高电平时：**假设其他设备空闲（高阻态），就可以忽略了，只有传感器工作，如果输出高阻态，又由于存在上拉电阻，所以整个SCL线也就是1。

5：具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多 I 2C 设备尚不支持高速模式。我们一般就使用标准模式就可以了。

6：连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。
PS: 纯属*营业，没学过电路

协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。通过总线的状态来表述不同的信号。

I2C

I2C基本读写过程

先放一张图：

#写过程

先不用了解具体怎么产生的信号，先来抽象地理解一下，拿写来说：
主机先说一句开始传输（S），传输到哪呢？？很明显就是从机了（ADRESS），主机再次确认是读别人数据还是写数据呢（R/W）,然后从机表示晓得了你要读/写（A），主机发送数据巴拉巴拉巴拉，发送完成之后，从机表示不接受数据了（非应答那个符号不会打）.然后主机停止写数据（P）。
--------------------------------------- 原谅我的文笔，太感人了。----------------------------------------------

S: 表示开始传输，先说一声开始。
SLAVE_ADDRESS: 这个图上也有说，就是从机地址
R/W： 0为写，1为读
DATA: 发送的数据
A：应答信号
P: 停止信号。结束了

通讯复合格式

这个过程其实和前面讲的写过程差不多，假设第一个R/W是写，那么主机先产生开始信号，找到从机地址，开始写，从机应答，此时后边的这个DATA表示的是要写的从机的地址，比如EEPROM，写到哪里呢，就是由这个DATA决定的，后边的都差不多就不啰嗦啦。

通讯信号的判断

通讯的起始和停止信号

1 当SCL为高电平，SDA从高变为低，表示起始信号
2 当SCL为高电平，SDA从低变高，表示停止信号

数据有效性

1：当SCL为高电平时，如果SDA为高电平，表示数据1，如果SDA为低电平，表示数据0.
2 当SCL为低，SDA进行电平转换，表示传输下一个数据。

地址及数据方向

前面我们说到地址为7位或者10位，一般都用七位。
八位设备地址=7位从机地址+读/写地址，以EEPROM为例，他的七位设备地址为1111000十六进制转换之后就是0x78
八位设备的读地址=1111 0001=0xF1
八位设备的写地址=1111 0000=0xF0

响应信号

在传输时，主机产生时钟，在产生的第九个时钟时（8个时钟8个字节，就穿输了一个位（byte）了）
数据发送端就会放弃对SDA的控制权，转为数据接收端控制SDA,此时若为低电平则为应答，高电平为非应答

通讯过程

这里就不多说了，了解完前面看这里就很轻松，上面的和读写过程基本一样。
需要特别说的就是下面的EV5,EV6之类的了，其实下面的表示的是状态，比如产生一个起始信号，就会有对应的事件产生，如果此时我们检测状态寄存器（想了解的可以参加《STM32中文参考手册》），如果检测到事件发生，就判断产生了起始信号，算是一个保障吧。

部分代码讲解

#include "myiic.h"
#include "delay.h"
 

void IIC_Init(void)
{					     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7); 	
}

void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sdaÏßÊä³ö
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;
}	  
//²úÉúIICÍ£Ö¹ÐÅºÅ
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sdaÏßÊä³ö
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;
	delay_us(4);							   	
}

u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();    
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//Ê±ÖÓÊä³ö0 	   
	return 0;  
} 

void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}
    
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}

IIC_Start(); 起始信号
IIC_Stop();停止信号
IIC_Wait_Ack(); 等待应答
IIC_Ack（）应答信号
IIC_NAck 非应答信号
这些根据前面的时序图理解就可以了；

着重讲一下发送与读取字节的函数：

void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//ÀµÍÊ±ÖÓ¿ªÊ¼Êý¾Ý´«Êä
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //¶ÔTEA5767ÕâÈý¸öÑÓÊ±¶¼ÊÇ±ØÐëµÄ
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
} 	    
//¶Á1¸ö×Ö½Ú£¬ack=1Ê±£¬·¢ËÍACK£¬ack=0£¬·¢ËÍnACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDAÉèÖÃÎªÊäÈë
    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();//·¢ËÍnACK
    else
        IIC_Ack(); //·¢ËÍACK   
    return receive;
}

先看发送数据 txd为要发送的数据,0x80就是1000 0000
如果txd第一位为1，则 txd&0x80=1000 0000
如果txd第一位为0 则 txd&0x80=0000 0000 这个与运算的作用就是提取txd最高位的数据；
(txd&0x80)>>7 表示(txd&0x80)右移七位，假设数据是1000 0000右移后补零就是0000 00001，
这样就得到了最高位（第八位）的数据；之后令数据左移一位，循环得到第七位的数据
接受数据的同理。

总结

经过最近学习发现通讯真的很重要，前几天做了关于OLED 和mpu6050的实验，都是用的I2C通讯协议。ESP8266连接云服务器也要用的协议（MQTT）。一定要把通讯吃透哦，不然后期很难学的。

在了解完这些之后代码大部分就可以看懂了，其中I2C的初始化之类的东西我就不说了哈，大家有兴趣可以采用I2C通讯协议与EEPROM进行通讯。

如果学到的话，麻烦各位看官老爷点个赞再走吧，ball ball 你们了。

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