STM32常用协议之IIC协议详解

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前言

STM32常用协议系列文章

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一、IIC协议简介

1.1 简介

IIC（Inter - Intergrated Circuit）总线是由Philips公司开发，工作方式是半双工、同步、串行传输。虽结构简单【两条双向信号线SDA和SCL】，但其传输距离较短，传输速率较低一般为几百kbps左右。主要用于低速场合、小数据量场合。因计算机科学中，大部分复杂问题可以通过分层的思想进行简化。这里也以分层的方式来理解，对待协议最基本的分层方式是将其分为物理层和协议层。其中，物理层规定通信中具有机械、电子功能特性，确保原始数据在物理媒体中的传输。协议层主要规定通信逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。套用火哥的话来说就是：“物理层规定是用嘴巴还是肢体来交流，而协议层是规定我们是用英文还是中文来交流。”

1.2 IIC物理层

上图是通信设备常见连接方式，具有如下特点：

1. 一个支持多设备的总线【总线：指多个设备共用的信号线】。在一个IIC通信总线中，可连接多个IIC通信设备，支持多个通信主机和多个通信从机。
2. 一个IIC总线有且只有两条总线【SCL总线和SDA总线】，SCL总线：串行时钟总线，用于同步数据收发；SDA总线：双向串行数据线，用于表示数据。
3. 连接到总线上的设备都有一个独立的地址，因此，主机通过寻址的方式对不同设备进行访问；
4. 总线通过上拉电阻连接到电源。当IIC设备空闲时，会输出**高阻态**，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，上拉电阻把总线拉成高电平。而当连接到总线上的任一器件输出低电平时，都将使总线的信号变低，可知各器件SDA及SCL都是线“与”关系。
5. 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
6. 具有3种传输模式：标准【100kbps】、快速【400kbps】和高速【3.4Mbps】（目前大多设备并不支持该高速模式）。
7. 连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制。

备注：第5点和第7点，个人目前不是很理解其机理。

1.3 协议层

1.3.1 IIC基本读写过程

主机写数据到从机中

• step 01：由主机的IIC接口产生并传输起始信号(S)到总线上，此时连接到总线上的所有从机都会接到这个信号。【备注：同一时刻只能有一个主机】
• step02：起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号【该地址可以是7位也可以是10位】，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，而没被选中的设备将会忽略之后的数据信号；在选择完从机地址位后，需要选择传输方向，这里是写数据，所以该位置‘0’。
• step03：从机在接收到匹配地址后，会返回一个ACK信号或NACK信号给主机。
• step04：主机在接受到ACK信号之后，便可以发送数据了【每次只能发送一个字节】。
• step05：等待从机接收后，发送应答ACK信号给主机。
• …N个数据【N没有限制】…
• stepn：从机返回NACK信号时，主机向从机发送停止信号； 或主机发送数据后，不用管从机，直接向从机发送停止信号。

主机读数据到从机中
与主机写数据到从机中的步骤大致相同，差异如下：

• 第一点：传输方向，读数据【传输位应该置’1’】
• 第二点：当主机希望停止接收数据时，需要向主机返回一个非应答NACK信号，则主机会发送停止信号给从机。但从机在未得到主机的NACK信号时，却无法发送停止信号【不具有发送停止信号的权利】。

主机读和写数据【IIC复合格式】
与前两者的差异较大，差异如下：

• 该传输过程有两次起始信号（S）。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”【这段数据通常是从设备内部的寄存器或寄存器地址】；在第二次传输中，才会对该地址的内容进行读或写。也就是说：第1次通信是告诉从机读写地址，第2次则是读写的实际内容【后续会有实验进行说明】。

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1.3.2 通信的起始和停止信号

• 起始和停止信号一般由主机发送
• 起始信号：SCL为高电平信号时，SDA由高电平切换为低电平，表示通信的开始；
• 停止信号：SCL为高电平信号时，SDA由低电平切换为高电平，表示通信的结束；
  

1.3.3 数据有效性

IIC使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据，如上图所示。传输时，SCL为高电平的时候，SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平则表示数据为“1”，反之则为“0” 。而当SCL为低电平的时候，SDA表示的数据无效，一般这个时候SDA进行数据切换，为下一个要表示的数据做好准备。至于为什么要在这个时候切换，联想之前的开始和停止信号。

1.3.4 地址及数据方向

• IIC总线上的每个设备都有自己的独立地址；
• SLAVE ADDRESS可以是7位或10位，通常情况下7位使用更为频繁；
• 数据传输方向位：1表示读 / 0表示写
• 读数据方向时，主机释放SDA总线由从机控制SDA总线，主机接受信号； 写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号

1.3.5 响应

IIC的数据和地址传输都带有响应【ACK和NACK两种信号】，作为数据接收端时，当设备（无论住从机）接收到IIC传输的一个字节数据或地址后：

• 若希望对方继续发送，则需要向对方发送“应答ACK”信号，发送方会继续发送下一个数据；
• 若希望结束数据传输，则需要向对方发送“非应答NACK”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

二、IIC特性

NOTE: 本节主要引自于大佬 果果小师弟 的文章

2.1 软件模拟协议

2.1.1 引言

若我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL和SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED那样控制引脚的输出（若是接收数据时，则读取SDA电平），就可以实现IIC通信。对于USART同样，也能实现USART通信。所以只要遵守协议，就是标准的通信，不管如何实现它，不管是ST生产的控制器函数ATMEL生产的存储器，都能按通信标准交互。这种直接控制GPIO引脚电平产生通信时序时，由CPU控制每个时刻的引脚状态，称之为“软件模拟协议”方式。

2.1.2 IIC初始化函数

功能：配置IIC的时钟线和数据线

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;//推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;
}

因为是软件模拟IIC，那么我们选择IIC通讯的引脚就相对来说比较随意，具体使用根据《STM32参考手册》进行查询。这里，选择PB6、PB7作为IIC的数据和时钟引脚。设置为推挽输出即可。

2.1.3 起始信号

功能：CPU发起IIC总线启动信号

void IIC_Start(void)
{
    IIC_SDA=1;        
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA=0;//START:当 CLK 为高电平时,DATA 从高到低改变
    delay_us(4);    
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
    delay_us(4);
}

起始信号产生后，所有从机设备就开始等待STM32紧接下来的从机地址信号。在IIC总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据IIC协议，从机地址可以是 7位或10位。在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。

2.1.4 等待应答信号

功能：CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号

//返回值：1，接收应答失败  0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
    u8 re;
    IIC_SDA=1;delay_us(1);//CPU释放SDA总线     
    IIC_SCL=1;delay_us(1);//CPU驱动SCL=1,此时器件会返回ACK应答
    if(READ_SDA){//CPU读取SDA口线状态
       re=1;
    }else{
      re=0;
    }   
    IIC_SCL=0;//时钟输出0      
    return re;  
} 

该函数用于 STM32 作为发送方时，等待及处理接收方传来的响应或非响应信号， 即一般调用前面的 IIC_SendByte 函数后，再调用本函数检测响应。
  STM32控制 SDA 信号线输出高阻态，释放它对 SDA的控制权，由接收方控制；控制 SCL 信号线切换高低电平，产生一个时钟信号，根据IIC协议，此时接收方若把 SDA 设置为低电平，就表示返回一个“应答”信号，若 SDA 保持为高电平，则表示返回一个“非应答 ”信号；在 SCL 切换高低电平之间，有个延时确保给予了足够的时间让接收方返回应答信号，延时后使用宏READ_SDA读取 SDA 线的电平，根据电平值赋予 re 变量的值；函数的最后返回 re的值，接收到响应时返回 0，未接收到响应时返回 1。当 STM32 作为数据接收端，调用 IIC_ReadByte函数后，需要给发送端返回应答或非应答信号，此时可使用 IIC_Ack及 IIC_Nack 函数处理，该处理与 IIC_Wait_Ack函数相反，此时 SDA线也由 STM32控制。

2.1.5 应答信号

功能：CPU产生一个ACK信号

//CPU产生一个ACK信号
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SDA=0;//CPU驱动SDA=0
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;//CPU产生一个时钟
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
    delay_us(2);
    IIC_SDA=1;//CPU释放SDA总线【高阻态】
}
//CPU产生1个NACK信号
void IIC_Nack (void)
{
    IIC_SDA=1();//CPU驱动SDA=1
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;//CPU产生1个时钟
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
    delay_us(2);    
}

IIC的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备接收到 IIC 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。
  代码的具体流程就是：根据要返回“应答”还是“非应答”信号，先准备好 SDA 线的电平，IIC_Ack函数中把 SDA 线设置为低电平，表示“应答”信号，IIC_Nack 函数中把 SDA 线设置为高电平，表示“非应答”信号；控制 SCL 线进行高低电平切换，产生一个时钟信号，在 SCL 线的高低电平之间加入一个延时，确保有足够的时间让通讯的另一方接收到 SDA信号线的电平；在 IIC_Ack 函数的末尾，响应信号发送结束后，重新把 SDA 线设置为高电平以释放总线的控制权，方便后续的通讯。

2.1.6 停止信号

功能：CPU发起IIC总线停止信号

{    
    IIC_SDA=0;//STOP:当 CLK 为高电平时候， SDA出现一个上调表示IIC总线停止信号
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA=1;//发送IIC总线结束信号                         
}

停止信号直接看是时序图就可以搞定了，在SCL和SDA都为低电平的情况下，首先把时钟线SCL拉高，再把数据线SDA拉高，IIC就会结束传输了。
  以上就是软件模拟IIC协议了，在平时的应用中我们实际上不需要掌握这些具体的代码，只要知道IIC协议的过程原理就行了，因为一般来说我们用的都是别人写好的代码，我们只需要会用就可以了，如果你的代码和我这些有出入也没有关系，只要能正常通讯即可，当然如果你的设计在过程中出现了一些问题，或者显示不正常，我们首先考虑的也不是底层协议的问题，而是你代码的其他问题。

2.1.7 IIC发送字节

功能：CPU向IIC总线设备发送8bit数据

void IIC_SendByte(u8 Byte)
{
    u8 i;
    /* 先发送字节的高位bit7 */
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {       
        if (Byte & 0x80)
        {
          IIC_SDA=1;
        }
        else
        {
            IIC_SDA=0;
        }
        delay_us(2);
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;
        if (i == 7)
        {
             IIC_SDA=1;// 释放总线
        }
        Byte <<= 1; //左移一个bit
        delay_us(2);
    }
}

该函数以其输入参数作为要使用IIC协议输出的数据，该数据大小为一字节。函数的主体是一个8次的 for 循环，循环体执行一次将会对外发送一个数据位，循环结束时刚好发送完该字节数据。步骤分解如下：
  首先程序对输入参数Byte和 0x80“与”运算，判断其最高位的逻辑值，为 1 时控制 SDA输出高电平，为 0则控制 SDA输出低电平；接下来延时，以此保证 SDA 线输出的电平已稳定，再进行后续操作；之后控制 SCL线产生高低电平跳变，也就是产生 IIC协议中 SCL线的通讯时钟；在 SCL线高低电平之间有个延时，该延时期间 SCL线维持高电平，根据 IIC协议，此时数据有效，通讯的另一方会在此时读取 SDA 线的电平逻辑，高电平时接收到该位为数据 1，否则为 0；就这样一次循环体执行结束，Byte 左移一位以便下次循环发送下一位的数据；如次循环 8 次，把Byte 中的 8 位个数据位发送完毕，在最后一位发送完成后（此时循环计数器 i=7），控制 SDA 线输出 1（即高阻态），也就是说发送方释放 SDA总线，等待接收方的应答信号。

2.1.8 IIC读取字节

功能：CPU从IIC总线设备读取8bit数据

u8_t IIC_ReadByte(void)
{
    u8 i;
    u8 value;
    //读到第1个bit为数据的bit7
    value = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        if (SDA_READ)
        {
            value++;
        }
        IIC_SCL=0;
        delay_us(2);
        value <<= 1;
    }
    return value;
}

IIC_ReadByte 函数也是以 for 循环为主体，循环体会被执行 8次，执行完毕后将会接收到一个字节的数据，循环体接收数据的流程如下：
  首先使用一个变量 value 暂存要接收的数据，每次循环结束后先对 value 的值左移 1 位，以给 value 变量的 bit0 腾出空间，bit0 将用于缓存最新接收到的数据位，一位一位地接收并移位，最后拼出完整的 8位数据；然后控制 SCL线进行高低电平切换，输出 IIC 协议通讯用的时钟；在SCL线高低电平切换之间，有个延时，该延时确保给予了足够的时间让数据发送方进行处理，即发送方在 SCL 时钟驱动下通过 SDA 信号线发出电平逻辑信号，而这个延时之后，作为数据接收端的 STM32 使用宏SDA_READ读取 SDA信号线的电平，若信号线为 1，则 value++，即把它的 bit0置 1，否则不操作（这样该位将保持为 0），这样就读取到了一位的数据；接下来SCL线切换成低电平后，加入延时，以便接收端根据需要切换 SDA 线输出数据；直到循环结束后，value 变量中包含有 1 个字节数据，使用 return 把它作为函数返回值返回。

2.2 硬件协议

相对来说，硬件IIC直接使用外设来控制引脚，可以减轻CPU的负担。不过使用硬件IIC时必须使用某些固定的引脚作为SCL和SDA，软件模拟IIC则可以使用任意GPIO引脚，相对比较灵活。STM32的IIC外设可用作通讯的主机或从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7位、10位设备地址，支持 DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的IIC外设还支持 SMBus2.0协，SMBus 协议与IIC类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中。STM32 芯片有多个IIC外设，它们的IIC通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。

2.2.1 IIC初始化函数

void IIC_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;// 开漏输出 
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;//给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式
}

因为是硬件IIC直接使用外设来控制引脚，那么我们选择IIC通讯的引脚就比较固定，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。可以看到PB6和PB7两个引脚可以作为IIC的通讯引脚，而且PB6为SCL时钟线，而PB7则为SDA数据线，并设置为开漏输出。
  这里为啥设置为开漏输出的方式呢？
  这是由于使用的是软件模拟IIC方式，而IIC协议的 GPIO 必须的开漏输出模式，开漏输出模式在输出高电平时实际输出高阻态，当IIC该总线上所有设备都输出高阻态时，由外部的上拉电阻上拉为高电平。另外当 STM32 的 GPIO 配置成开漏输出模式时，它仍然可以通过读取GPIO 的输入数据寄存器获取外部对引脚的输入电平，也就是说它同时具有浮空输入模式的功能，因此在后面控制 SDA线对外输出电平或读取 SDA线的电平信号时不需要切换 GPIO的模式。
  另外在硬件IIC协议之下，它的起始信号、等待应答信号、应答信号、停止信号都与软件模拟IIC协议之下的函数相同，在这里我就不重复说明了。

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三、IIC实验

3.1 OLED实验

实验描述：通过MCU向0.96寸OLED屏写入16*16的字符‘A’
实验图片：
实验相关材料：

• 16X16的字符A的取模： {0x00,0x00,0xC0,0x38,0xE0,0x00,0x00,0x00,0x20,0x3C,0x23,0x02,0x02,0x27,0x38,0x20},/“A”,33/
• 中景园0.96寸OLED屏的SLAVE ADDRESS: 0X3C

3.2 逻辑分析仪

NOTE：由于IIC的传输速率在几百Kbps左右，所以采样率按照10倍左右进行采样，这里，我现在6M左右的采样率。

逻辑分析仪结果展示：

由上图，可以清楚地从逻辑分析仪采样的数据中，发现MCU正在向SLAVE ADDRESS【0x3c】位置写入数据，下图是对采样的数据进行分析的结果。


由上图可知，字符’A’分两次，从MCU传送到OLED屏中，这是为什么呢？这里，就要提及它涉及到的OLED_ShowChar函数了。

由于这里size1取16，所以根据计算size2为16，需要进行十六次循环。在标注的多字节处理中，可知将字符分为上下两部分进行处理。所以，这里逻辑分析仪抓取的数据是分为两次进行传输的，与程序一致。

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3.3 IIC实验【改编自正点原子实验】

3.3.1 实验介绍

因OLED实验的模拟IIC通过逻辑分析仪解析出来后，不方便观看，故特加入IIC实验【改编于正点原子第二十八章的IIC实验】。只需要修改mian.c文件中的这几处代码，若没有LCD屏幕，只需要注释掉这部分的代码不影响整个实验。

3.3.2 逻辑分析仪结果

3.3.3 示波器结果

备注：这里 00001010 即代码修改处设置的内存地址：10，若不懂请参照本文1.3.1的IIC复合通信格式。

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总结

• 有些部分理解还不到位，但对IIC协议已有一个大概的理解，细微之处，后续使用时，再补充完善；
• 逻辑分析仪的基本使用没有问题，但高级使用还存在一定的问题；
• 推荐使用软件模拟IIC的方式