你不能不知的I2C总线
4.8 I2C总线
I2C总线（Inter-Integrated Circuit Bus）是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。某些书籍或者文档中也写作IIC，读作“I方C”。
I2C是嵌入式中最常见的，也是最重要的总线通信协议之一。很多传感器、外围芯片都使用I2C协议。它具有如下特点：
（1）硬件线路简单：I2C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线，
（2）灵活：数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。
（3）可以连接设备数量多：连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制。
4.8.1 I2C器件地址
I2C总线是一个主从结构的总线，所有的数据传输都必须由主机发起，通常单片机做主机，其他连接在I2C总线的设备称之为从机或者器件。
I2C还有一个重要的概念：器件地址。连接在I2C总线上的设备，除了主机之外，每个器件都有自己的地址。主机想要和某个器件通信时，先往I2C总线发送器件地址。
I2C器件地址一般为8位，最后一位是读写标志位。0表示主机要读取器件的数据；1表示主机要往器件写数据。
4.8.2 I2C时序
I2C总线只需要两根线，分别是时钟线（SCL）、数据线（SDA）。其中时钟线提供时间周期，时间周期越短则数据传输速率越快。数据线用来传输起始位、应答位，数据等。时序图如4.37所示。
图4.37 I2C时序图
数据格式主要有起始位、停止位、数据位、应答位（ACK）、NACK。
1. 起始位
当主机想要启动I2C数据传输时，需要要先往I2C总线发送起始位。起始位的条件是SCL线为高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。
2. 停止位
当主机想要终止I2C数据传输时，需要往I2C总线发送停止位，释放I2C总线的占用。停止位的条件是SCL线为高电平时，SDA线从低电平向高电平切换。
3. 数据位
SDA数据线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节数量没有限制。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位（MSB)，SDA上的数据必须在SCL高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在SCL低电平时期。
4. 应答位
每个字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），发送端释放SDA线，接收端把SDA拉低。
5. NACK位
以下情况会导致出现NACK位：
（1）接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何ACK发送给发射机
（2）由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接无法接收或者发送
（3）传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令
（4）接收机无法接收
（5）主机接收完成读取数据后，要发送NACK结束告知从机
4.8.3 模拟I2C
I2C属于比较简单的总线，完全可以根据I2C的时序，使用I/O模拟I2C。本文将使用STM32的GPIO口实现模拟I2C的功能，帮助读者理解I2C的时序控制。
打开Chapter4\05_I2C_24c02\mdk\IIC24c02.uvproj工程文件，接着打开24c02.c文件，模拟IIC的代码都在这个文件中。
1. I2C初始化
I2C的初始化部分代码主要是对STM32的GPIO进行初始化。GPIOB_9作为数据引脚（SDA），GPIOB_8作为时钟引脚（SCL），代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 5行
//I2C初始化
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); //打开GPIOB时钟
//GPIOB8,B9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; //开漏输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化
IIC_Stop(); //先给停止信号，复位I2C总线上所有的设备
}
2. 起始信号
当SCL为高电平时，SDA出现一个下降沿表示I2C总线启动信号，代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 23行
//I2C启动信号
void IIC_Start(void)
{
//先把SDA输出引脚置高
IIC_SDAOUT=1;
//SCL引脚置高
IIC_SCL=1;
//等待4us
delay_us(4);
//SDA引脚拉低
IIC_SDAOUT=0;
//等待4us
delay_us(4);
//SCL引脚拉低
IIC_SCL=0; //准备发送数据或者接收数据
}
IIC_SCL指I2C的SCL引脚，IIC_SDAOUT 指I2C的SDA引脚输出，在24c02.h文件中分别被定义成PBout(8)和PBout(9)，代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.h 8行
#define IIC_SCL PBout(8) //SCL
#define IIC_SDAOUT PBout(9) // SDA
IIC_SDAOUT=1表示SDA引脚输出高电平。这里是GPIO输出高低电平的另外一种写法，等价于之前的GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_9, Bit_SET)。
IIC_Start函数使用SDA、SCL引脚，通过输出高低电平和延时的操作，模拟了I2C启动信号。其时序如图4.38所示。
图4.38 I2C启动信号时序
3. 停止信号
当SCL高电平时，SDA出现一个上升沿表示I2C总线停止信号，代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 34行
void IIC_Stop(void)
{
//SDA先低电平，这样才能出现上升沿
IIC_SDAOUT=0;
delay_us(4);
//SCL高电平
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
//SDA由低电平变高电平，此时出现一个上升沿。
IIC_SDAOUT=1;
}
4.应答信号
I2C总线上的所有数据都是以8位字节传送的，发送器每发送一个字节，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK）。主机等待从机应答信号的相关代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 50行
//返回值：1表示NACK， 0表示 ACK
u8 MCU_Wait_Ack(void)
{
u8 ack;
IIC_SDAOUT=1;
delay_us(1);
IIC_SCL=1;
delay_us(1);
//读取SDA总线电平
if (IIC_SDAIN)
{
ack = 1; //高电平则表示NACK应答
}
else
{
ack = 0; //低电平则表示NACK应答
}
IIC_SCL=0;
delay_us(1);
return ack;
}
5.数据位发送
在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应。在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。逻辑0的电平为低电压，而逻辑1则为高电平。时序如图4.39所示。
图4.39 数据位发送时序
6.发送一个字节
I2C写一个字节相当于往I2C总线发送了8个数据位，根据图4.39数据位发送时序，我们可以用I/O模拟，代码如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 113行
//参数：Senddata 要发送的数据
void IIC_write_OneByte(u8 Senddata)
{
u8 t;
IIC_SCL=0;
for(t=0;t<8;t++)
{
//先发送高位
IIC_SDAOUT=(Senddata&0x80)>>7;
//左移1位
Senddata=(Senddata<<1);
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
其中比较关键的代码是Senddata的移位操作。
根据 & 和 >> 的特性，(Senddata&0x80)>>7相当于保留Senddata的最高位，其它位清零，同时再把最高位右移到最低位。相当于把Senddata最高位的数值赋给IIC_SDAOUT，从而实现SDA引脚根据Senddata的最高位输出响应的高低电平。
之后Senddata=(Senddata<<1)，把Senddata的第2高位通过左移1位的方式，使Senddata的第2高位变成最高位。
再通过for循环，重复这两步操作，把Senddata的每一位都发送出去。为了方便直观理解，我们假设Senddata等于170，十六进制为：0xAA，二进制为：10101010。整个for循环的移位操作可以用图4.40直观的表示出来。
图4.40 移位操作流程图
7.读一个字节
读时序和发送时序相同，不同的是发送时需要在SCL低电平的时候更改SDA数据位，而读时需要在SCL高电平的时候读取SDA数据位。同时，每读取一位数据，都需要左移1位，保证高位在前。读完数据后需要发送ACK或者NACK应答信号。代入如下：
//Chapter4\05_I2C_24c02\USER\24C02\24c02.c 137行
u8 IIC_Read_OneByte(u8 ack)
{
u8 i,receivedata=0;
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receivedata<<=1;
if(IIC_SDAIN)
{
receivedata++;
}
delay_us(1);
}
if (!ack)
MCU_NOAck();
else
MCU_Send_Ack();
return receivedata;
}
4.8.4 小结
I2C是嵌入式中最常见的总线通信协议，读者需要熟练掌握，了解IIC的时序，并能使用I/O模拟I2C操作。