I2C通信

【转载】
G哥撸Arduino之:深入浅出I2C通信
https://www.arduino.cn/thread-81380-1-1.html
(出处: Arduino中文社区)

I2C通讯简介

I2C的全称为:Inter-Integrated Circuit,
中文名字:内部集成电路。
可以读作"I-squared-C" ,在中国常被读作"I方C"。
I2C是Philips公司在1980年代,
为了让主板、嵌入式系统用以连接低速周边装置,而开发的一种简单的双向二线制同步串行总线。
现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
I2C使用两根传输线实现一个主设备与多个从设备,甚至是多个主设备与对应从设备之间的通信。
这两根通讯线一根为控制时钟线,称之为SCL,其实是(Serial Clock)的简称,用于同步设备间的数据传输时钟;
另一根为数据线,称之为SDA,其实是(Serial Data)的简称,用于携带数据。
那么,它与SPI、串口到底有什么异同呢?
下面将SPI、串口及I2C三种通信方式做个有趣的对比,
让大家有一个直观的认识,
也算对通信方式做一个简单的总结吧。

我们知道,通讯需要借助于介质(通讯线,这里单指有线通讯),
通讯线一般又分为控制线,数据线和地线。
出于简化设计、节约成本(特别是长距离传输)的考虑,
通讯双方一般由一根控制线、一根数据线和一根地线连接,
有时,为达到双向同时收发的目的(全双工的概念),
又将接收和发送的数据线独立开来,
此时数据线就需要两根了。
进一步,为应对更复杂的控制需求,
控制线可能又不止一条。
由此,就构成了SPI、串口、I2C连线方式上的差异。

对比形式如下表所示(忽略了地线)。
I2C通信_第1张图片
1) 控制线的存在,可以随意决定传送数据的长度;异步串口没有控制线,决定了其传输对象只能是面向字符,如此一来字符与字符之间的相关性和连续性就不好确定了,只能寄希望于协议,所以异步串口的收发包协议是三者当中最复杂的。而且,有控制线的传输协议,就有主从的概念。因为控制线一般是由主机产生,用于控制(同步)从机使用的。
2) 双数据线的存在,使得数据接收和发送可以同时进行,可以实现全双工,大大提高了传输速率。而I2C只有一条数据线,它是如何实现数据的收和发的呢?通过设置双向数据线,而且规定了任一时刻要么是接收状态,要么是发送状态,从而用降低速率的办法实现双向数据传输。简单但传输速率太慢。
3) 同样是主机与多从机相互通讯的方式,SPI通过片选信号线SS来决定要通讯的从机,I2C通过给每个I2C器件分配唯一的地址,通讯前通过寻址的方式确定通讯从机。


I2C协议的设计解读

所谓协议,即共事双方,为达到某一共同目标,而制定的一种契约。
既然是契约,双方就都必须遵守,否则是达不到最终的共同目标的。
I2C是一种通讯协议,以相互通讯为目标,设计了一套关于如何建立连接、如何互相数据识别、以及如何终止连接的约定。

从通讯的原理出发,为达到双方顺畅交流的目的,约定内容必须要包括如下内容,而如何实现这些约定,才是I2C协议真正的作用!
I2C通信_第2张图片
如此,I2C协议的核心就落在:
如何实现上述的六个信号,以及如何借助这六个信号来重构各种收发场景?


I2C协议的六个元信号

  1. 起始信号
    定义:SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化
    I2C通信_第3张图片
  2. 终止信号
    定义:SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化。
    I2C通信_第4张图片
  3. 写数据信号
    I2C总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高低电平状态才允许变化。
    I2C通信_第5张图片
  4. 读数据信号
    I2C总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高低电平状态才允许变化。
    I2C通信_第6张图片
  5. 应答信号
    I2C总线协议规定,每传送一个字节数据,都要有一个应答信号以确定数据传送是否被对方接收。应答信号由接收设备产生,在SCL为高电平期间,接收设备将SDA拉低为低电平,表示数据传输正确。
    I2C通信_第7张图片
  6. 非应答信号
    I2C通信_第8张图片
    基于上述的六个元信号,I2C协议进一步设计了一次完整交流的协议简图。
    I2C通信_第9张图片
    协议简图描述了收方双方的一次完整交互:
    包括一个起始信号、7位从机通信地址、1位操作信号表示向从机写数据(写信号)或主机从从机读数据(读信号)、1位ACK应答信号、N组8位数据应答信号与相对就的N组1位ACK应答信号,最后是停止信号!
    注意,每次数据后都必须跟一个应答信号,这是I2C协议的最大特点。
    上述的六个信号,以及基于六个信号形成的协议简图,
    共同构成了I2C通讯协议的完整内容。

Arduino对I2C协议的实现

Arduino以类的形式对I2C通信协议进行了封装,
封装的类名为:TwoWire。
I2C通信_第10张图片
Wire库以外挂库的形式放置于libraries文件夹内,
与内建库不同的是,用户在使用I2C库时,
需要手动加入I2C库的头文件:#include
同时,为方便用户使用,库文件预创建了Wire对象,
这样用户就可以在程序中直接使用Wire实现I2C通讯了。
TwoWire类封装层次较高,
是基于twi函数库(具体实现底层六个信号)的再次封装,
从软件上彻底屏蔽了I2C的底层协议内容,
这也是Arduino的设计原则,
让用户更加关注业务层面,而不是实现层面,
G哥剥茧抽丝的目的也只是让撸友们对I2C有个本质的认识。


Wire库主要操作方法介绍

1.Begin()、Begin(address)
初始化Wire库,并针对性初始化为主机或是从机。
上述两种形式的区别如下:
Begin()初始化为主机,
Begin(address)初始化为从机,并为从机设置地址(0-127)。
2.Write()
主机向从机写数据,或从机为响应主机请求向主机写数据。
注意:当工作于主机向从机写数据时,
该语句要位于beginTransmission() 和endTransmission()语句之间。
有以下三种具体形式,描述如下:
Wire.write(value) – 写字符。
Wire.write(string) –写字符串
Wire.write(data, length)-写指定长度的数组data。
3.requestFrom()
用于主机向从设备请求数据,
此后就可以用available()和read()来具体操作从设备返回的数据了。
形式为:Wire.requestFrom(address, quantity)
Address指明从设备的地址,quantity指明请求的字节数。
4.Available()
返回接收缓存(数组)里的字符数,以便后续使用read()具体读取。
具体使用中,
对主机而言,必须事先调用requestFrom函数;
对从机而言,常在onReceive事件中使用。
5.Read()
从接收缓存(数组)中读取数据。
6.注册事件
除了上述几个方法外,Wire库还定义了两个事件:
onReceive()和onRequest()。
都是为从设备注册一个事件函数,用于响应不同的事件。
onReceive()用于从机接收到主机字符的响应,事件中执行从设备的写操作。
onRequest()用于从机接收到主机上传数据通知的响应,事件中执行从设备的读操作。

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