三大通信协议（二）：IIC通信协议

1. 概念

• 是什么？

I²C（Inter-Integrated Circuit），中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。

• 优点
  1. 仅需要两条总线即可通讯（大大的节约了IO口资源）
  2. 最大主机数量：无限制。最大从机限制：理论127
     （一个主机多个从机，一对多，多对一，多对多）

2. 硬件连接

• I²C协议仅需要一个SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）引脚。这两条数据线需要接上拉电阻。
• 上拉电阻使用典型的4.7kΩ。
• 使用I2C设备灌电流不得超过3mA
• 逻辑0电压不得高于0.4V
  

I²C总线（SDA，SCL）内部都使用漏极开路驱动器（开漏驱动），因此SDA和SCL 可以被拉低为低电平，但是不能被驱动为高电平，所以每条线上都要使用一个上拉电阻，默认情况下将其保持在高电平；

3. 数据传输协议

主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。
数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输0和1的串行数据。串行数据序列的结构可以分为，开始条件，地址位，读写位，应答位，数据位，停止条件，具体如下所示；

1. 主机（Master）发送开始信号给从机（Slave），唤醒所有主从机
2. 主机发送7位的地址位和1位的读写位给从机
3. 等待地址匹配从机的应答信号
4. 主机发送或接收数据到从机
5. 在传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认已成功接收到该帧：
6. 结束之后主机发出停止信号

3.1 开始信号

当主设备决定开始通讯时，需要发送开始信号，需要执行以下动作：

1. 先将SDA线从高压电平切换到低压电平；
2. 然后将SCL从高电平切换到低电平；

在主设备发送开始条件信号之后，所有从机即使处于睡眠模式也将变为活动状态，并等待接收地址位。

3.2 地址位

7位组成的地址位
主设备如果需要向从机发送/接收数据，首先要发送对应从机的地址，然后会匹配总线上挂载的从机的地址；

3.3 读写位（R/W）

该位指定数据传输的方向：

• 如果主设备需要将数据发送到从设备，则该位设置为 0；
• 如果主设备需要往从设备接收数据，则将其设置为 1 。

3.4 应答位（ACK / NACK）

主机每次发送完数据之后会等待从设备的应答信号ACK：

• 在第9个时钟信号，如果从设备发送应答信号ACK，则SDA会被拉低；
• 若没有应答信号NACK，则SDA会输出为高电平，这过程会引起主设备发生重启或者停止；
  

3.5 数据位（8Bit）

传输的数据总共有8位，由发送方设置，它需要将数据位传输到接收方。(这个则是cmd或者data)

发送之后会紧跟一个ACK / NACK位，如果接收器成功接收到数据，则设置为0。否则，它保持逻辑1。

• 8DataBit+AckBit、8DataBit+AckBit…直到数据发送完进行下一次才接上Stop信号

3.6 停止信号

当主设备决定结束通讯时，需要发送开始信号，需要执行以下动作：

1. 先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平；
2. 再将SCL线从高电平拉到低电平；

具体如下图所示:

4. 软件编写

4.1 初始化

void IIC_init()//IIC初始化
{
       SCL=1; //首先把时钟线拉高
       delay_us(4);//延时函数
       SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高
       delay_us(4); //延时函数
}

4.2 开始信号

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA，再拉高SCL，空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start()//启动信号
{
       SDA=1; //确保SDA线为高电平
       delay_us(5);
       SCL=1;  //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       //以下这一步产生了开始信号的脉冲
       SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线，即为起始信号
       delay_us(5);
}

4.3 IIC发送一个字节数据

//IIC发送一个字节
//返回: 从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答            

//只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变
//总结：在SCL为低电平期间，发送数据，发送8次数据，数据为1,SDA被拉高，数据为0，SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定，所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();         
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;   //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后左移7位
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
        if((txd&0x80)>>7)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;       
        delay_us(2);   
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }     
}       

4.4 IIC读取一个字节

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();        //SDA设置为输入
    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();        //发送nACK,表示不再接收数据
    else
        IIC_Ack();         //发送ACK   
    return receive;
}

4.5 停止信号

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA，再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{

	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时，数据由低变高
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

参考资料

I2C协议靠这16张图彻底搞懂（超详细）
IIC原理超详细讲解—值得一看