STM32----IIC详解

一.IIC简介

1.IIC总线概述

IIC总线是飞利浦公司研发的两线制串行通信总线，IIC两线制包括：串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。串行时钟线（SCL）只能由主器件控制，串行数据线（SDA）实现双向数据传输（IIC通信属于同步、半双工串行通信）。IIC总线遵从主/从结构，可以实现一个主器件和多个从器件之间的通信，并且从器件永远不会主动给主器件发送数据。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件从总线上读取数据，则定义为接收器（主器件和从器件都可以是发送器也可以是接收器）谁接收谁应答。

2.IIC总线物理结构

上拉电阻作用：确保总线空闲时为高电平

3.IIC总线通信方式

通过器件地址建立通信。器件地址：固定地址（4）+ 可编程地址（3）+ 读写为（0读1写）

IIC设备地址是一个7位地址，并且这个7位地址分成两部分，分别是固定地址（器件地址）和可编程地址（芯片管脚地址）。 4+3

• 固定地址：IIC器件在生产时，芯片厂家已经固化在芯片内部的地址，使用者不可更改。
• 可编程地址：由IIC器件地址管脚上的电平状态决定。地址管脚接电源则表示数字“1”，地址管脚接地则表示数字“0”。（可以根据器件说明修改地址 例如：迈莱芯MLX90640修改设备地址方法，I2C挂载多个MLX90640）
• 最低位为控制字节，控制读写方向（指主机的读写方向）。

IIC总线数据传输速度在标准模式下可达100Kbit/S，快速模式下可达400Kbit/S以及高速模式下可达3.4Mbit/S。

 

4.IIC模式配置

1）引脚配置

 

• SCL,SDA可以配置成推挽输出、开漏输出（上拉电阻输出1）
• SCL，SDA也可以配置成开漏输出、开漏输出（开漏输出为防止多个器件存在短路）  

                注意：必须器件内部自带上拉电阻      或者外界接上拉电阻   或者软件设置上拉电阻

• SCL,SDA也可以配置成推挽输出、推挽输出与浮空输入（通过切换模式）

2）开漏输出和线与

硬件IIC：会自动配置为开漏输出，（不推荐不稳定）

软件IIC：

推挽输出：输出0，N-MOS激活。 输出1，P-MOS激活

开漏输出（不带上拉电阻）：输出0，N-MOS激活。   输出1，P-MOS不会激活，不会输出高电平

开漏输出（带上拉电阻）：输出0，N-MOS激活。   输出1，P-MOS激活

简言之：开漏输出必须有上拉电阻才能输出高电平。目前单片机GPIO口可以通过软件设置配置上下拉

开漏输出的作用：

1. 防止短路: 在一些情况下(比如总线), 多个GPIO口可能会连接在同一根线上, 存在某个GPIO输出高电平, 另一个GPIO输出低电平的情况. 如果使用推挽输出, 你会发现这个GPIO的VCC和另一个GPIO的GND接在了一起, 也就是短路了(凉凉了). 如果换成开漏输出呢? VCC和GND多了个电阻, 这样电路就是安全的.所以总线一般会使用开漏输出.
2. 实现线与，减少一个与门，简化逻辑。同时当多个器件通讯的时候，因为线与. 如果主设备A拉高SDA时, 已经有其他主设备将SDA拉低了. 由于 1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时, 会发现不是高电平, 而是低电平. 说明其他主设备抢占总线的时间比它早, 主设备A只能放弃占用总线. 如果是高电平, 则可以占用.（SDA为高电平的时候才可以与器件进行通信，）

二.三种模式区别

IIC之所以分成三种模式，是由于SCL与SDA保持时间长短不同所决定的。例如：标准模式下要求SCL高电平保持时间最小为4.7us，快速模式下要求SCL高电平保持时间最小为0.7us. 这也是为什么高速率可以兼容低速率，而低速率不能兼容高速率的原因。

	标准/S	快速/F	高速/HSE
速率	100KHZ	400KHZ	3.4MHZ
例如：数据保持时间（为SCL低电 平时数据允许保存最长时间）	无	0.9us	72或150ns
器件寻址	7位（128个器件）	7位或10位（1024个器件）	7位或10位（1024个器件）
优化功能		快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能	Hs 模式器件的输出可以抑制毛刺

 

更多区别请查看IIC协议规范

三.时序分析

以软件模拟推挽输出例100K时序为例

1）起始信号

SCL在高电平期间，SDA出现一个由高到低的跳变（SDA，SCL有最小保持时间 ）

void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();
	SDA_H;   							//串行数据线高电平（空闲信号）
	CLK_H;   							//串行时钟线高电平（空闲信号）
	Delay_us(5);
	SDA_L;   							//串行数据线拉出下降沿
	Delay_us(5);
	CLK_L;   							//串行时钟线拉出下降沿
}

2）终止信号

SCL在高电平期间，SDA出现由低变高的跳变（SDA，SCL有最小保持时间 ）

void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();					//输出模式
	CLK_L;							//串行时钟线低电平
	SDA_L;							//串行数据线低电平
	CLK_H;							//串行时钟线高电平
	Delay_us(5);
	SDA_H;							//串行数据线高电平  上升沿
	Delay_us(5);

}

 

3）应答信号

SCL在高电平期间SDA始终处于低电平（SCL保持时间<= SDA保持时间）

需要在传输完毕一个字节后发送

void IIC_Send_ACK(void)
{
	
	CLK_L;
	SDA_OUT();			   				//输出模式
	SDA_L;										//串行数据线低电平
	Delay_us(5);
	CLK_H;										//串行时钟线线高电平    上下
	Delay_us(5);
	CLK_L;										//串行时钟线线低电平
}

4）非应答信号

SCL在高电平期间SDA始终处于高电平（SCL保持时间<= SDA保持时间）

需要在传输完毕一个字节后发送

void IIC_Send_NoACK(void)
{
	
	CLK_L;
	SDA_OUT(); 
	SDA_H;											//串行数据线为高电平
	Delay_us(5);
	CLK_H;
	Delay_us(5);
	CLK_L;
}

5）检测应答

SCL为高电平的时候可以读取SDA的状态，因此可以将SDA模式切换为输入模式，读取SDA引脚状态，0位应答，1位非应答

SCL为低电平允许数据发生变化

SDA：为高电平的时候可以占用总线，此时将SDA拉低，开始通信。当为低电平的时候，SDA已经被占用。
SCL： SCL为高电平的时候要求数据稳定  SCL为低电平的时候允许数据改变

u8 IIC_Get_ACK(void)
{
	u8 ERRTIME = 0;    //超时变量
	SDA_IN();
	//SDA_L;// 没有影响
	Delay_us(5);
	CLK_H;
	Delay_us(5);
	while( READ_SDA() )
	{
		ERRTIME++;
		if(ERRTIME >=250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	CLK_L;
	return 0;
}

 

6）发送数据

void IIC_Send_Data(u8 dat)
{
	u8 i;
	SDA_OUT();
	CLK_L;
	for(i = 0; i < 8; i++)					//分8次传输数据  一位一位传递  串行
	{
		if(dat & 0x80)								//先发最高位  1000 0000
		{
			SDA_H;     //写1
		}
		else
		{
			SDA_L;     //写0
		}
		dat <<= 1;									//左移操作  次高位-->最高位
		Delay_us(5);
		CLK_H;
		Delay_us(5);
		CLK_L;
		Delay_us(5);	
	}
}

7）接收数据

将SDA切换为输入模式。拉高SCK电平，可以读取数据

u8 IIC_Read_Data(u8 ack)
{
	unsigned char i,date = 0;
	SDA_IN();
	for(i = 0; i < 8; i++)
	{
		
		CLK_L;
		Delay_us(5);
		CLK_H;
		date <<= 1;
		Delay_us(5);
		if( READ_SDA() )
		{
			date ++;
		}
		//Delay_us(2);
	}
	if(ack)
	{
		IIC_Send_ACK();																	//发送应答
	}
	else
	{
		IIC_Send_NoACK();																	//发送非应答
	}
	return date;

}