I2C通信协议

一、物理结构

I2C是一种同步半双工的通信协议，同一时刻只能向一个方向传送数据。I2C总线由SCL时钟线和SDA数据线组成，时钟线控制收发数据的频率。

Fig1.I2C 系统结构

1、每个I2C设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址和不同设备通信，地址共有7bits和10bits两种。

2、总线通过上拉电阻接到电源，当I2C设备空闲时，MOSFET关断，输出高阻态。

3、Cbus电容（总线负载电容）决定了外接设备的数量，原因见Fig2。Cbus电容并非实实在在的一个电容，而是连接到I2C总线上设备的等效容性负载。

 Fig2.容抗对I2C电平的影响

I2C在高电平时读取数据，当总线上的电容过大时，影响SDA总线的充电时间，造成bit位的错误读取。

4、标准协议中I2C共有标准、快速、快速+、高速、超高速5种工作速率。

                Fig3.五种传输速率比较

 二、传输协议

 Fig4.协议传输格式

1、开始位/重复开始位（S-Start/Sr-Repeated Start）:当SCL为高电平时，SDA由高电平切换为低电平，此时通信开始。

 Fig5.开始位和停止位

 总线空闲状态：SDA和SCL均为高电平。

2、数据传输：主机（Master）或从机（Slaver）在SCL高电平（上升沿）时读取SDA上的信号，在SCL低电平是，SDA完成传输位信号的改变。数据传输时，高位先进行传输（MSB)，一次传输的最大传输Byte位数无限制。

 Fig6.数据变化均发生在时钟低电平，有些可能需要数据建立时间，在时钟变成高电平前完成数据位的变化

3、应答位/非应答为（ACK/NACK)：每8个bit位后会跟随一个ACK位。

ACK：发送设备释放SDA，接收设备控制SDA低电平。

NACK：发送设备释放SDA，接收设备控制SDA高电平。

NACK发生的情况：

①无：没有主机访问地址的slave

②忙：slave忙碌，无法开始数据传输

③错：接收到错误的数据

④停：通知Slave-Transmitter停止发送数据

4、时钟拉伸（clock Stretching）：①ACK和NACK的时间拉长，增加Receiver的处理时间②如果收发设备处理数据性能有差异，传输每个bit位的时钟低电平时间可拉长，但传输频率会降低。

5、停止位：当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平切换，表示通信停止。

6、时钟同步：同一总线上有多个主机同时访问从机时发生，采用SCL时钟（OC/OD）线与的结构，只有当CLK1和CLK2均为高电平时，SCL才表现为高电平，通信开始。超快速模式采用推挽式结构，不支持时钟同步。

Fig7.时钟同步

 7、总线仲裁：同一总线上有多个主机同时访问从机时发生。从机不参与仲裁，由主机完成。仲裁按每个SDA数据bit位逐步进行。

 Fig8.总线仲裁

利用时钟同步的SCL上升沿对SDA采样，如果DATA1和DATA2全程和SDA上一致，则双主机都能同时访问同一个从机；如果DATA1先和SDA不一致，则DATA2的Master获取主动权，继续完成相关操作，DATA1的主机丢失总线SDA的控制权，并关闭DATA1的输出。

三、从设备的地址

同一I2C总线上的多个Slave地址必须具有唯一性，不能相同。从设备的地址分为7bit位和10bit为两种。

Fig9. 7位从机地址+1位读写控制位

 Fig10. 10位从机地址+1位读写控制位+11110固定编码，组成2个字节

 四、I2C总线典型问题

 Fig11.I2C总线常见问题

解决方案：

 

 

 

五、EEPROM AT24C02读写操作

 Fig12. 芯片引脚定义

1、SCL时钟总线：SCL输入用于将正边缘时钟数据输入到每个EEPROM设备，并将负边缘时钟数据输出到每个设备。
2、SDA数据总线：SDA引脚是双向的，用于串行数据传输。
3、设备地址A2, A1, A0：A2、A1和AO引脚是硬接线AT24C02的设备地址输入，共有8种组合，即I2C总线最多接8个AT24C02。
4、写保护WP:AT24C02有一个写保护引脚，提供硬件数据保护。当连接到地(GND)时，写保护引脚允许正常读/写操作。当引脚连接到Vcc时，就会启用Write protection特性，不允许读写。
 

Fig13.读写时序（混合模式）

六、OLED屏显示

尺寸：0.96寸
分辨率：128*64
通信方式：I2C
显存芯片：SSD1315
管脚定义：GND、VCC、SCK、SDA

显示原理：SSD1315的SRAM，也称为GDDRAM（Graphic Display Data RAM），含128 × 64 个bit位，被分为8个 PAGE，每个page由8行×128列个bit位组成。当我们往这个RAM写入数据，就会显示特定内容。

/**
  * @brief  I2C开始
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void OLED_I2C_Start(void)
{
	OLED_W_SDA(1);
	OLED_W_SCL(1);
	OLED_W_SDA(0);
	OLED_W_SCL(0);
}

/**
  * @brief  I2C停止
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void OLED_I2C_Stop(void)
{
	OLED_W_SDA(0);
	OLED_W_SCL(1);
	OLED_W_SDA(1);
}

/**
  * @brief  I2C发送一个字节
  * @param  Byte 要发送的一个字节
  * @retval 无
  */
void OLED_I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		OLED_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
		OLED_W_SCL(1);
		OLED_W_SCL(0);
	}
	OLED_W_SCL(1);	//额外的一个时钟，不处理应答信号
	OLED_W_SCL(0);
}

/**
  * @brief  OLED写命令
  * @param  Command 要写入的命令
  * @retval 无
  */
void OLED_WriteCommand(uint8_t Command)
{
	OLED_I2C_Start();
	OLED_I2C_SendByte(0x78);		//从机地址
	OLED_I2C_SendByte(0x00);		//写命令
	OLED_I2C_SendByte(Command); 
	OLED_I2C_Stop();
}

/**
  * @brief  OLED写数据
  * @param  Data 要写入的数据
  * @retval 无
  */
void OLED_WriteData(uint8_t Data)
{
	OLED_I2C_Start();
	OLED_I2C_SendByte(0x78);		//从机地址
	OLED_I2C_SendByte(0x40);		//写数据
	OLED_I2C_SendByte(Data);
	OLED_I2C_Stop();
}

七、STM32的I2C外设

STM32的I2C外设可用作通信的主机以及从机，支持100kbps和400kbps的速率，支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并且具有数据校验功能。

 STM32的外设都挂载在APB1总线上，使用APB1的时钟源PCLK1。

其定义的结构体如下：

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;          /*!< Specifies the clock frequency.This parameter must 
                                          be set to a value lower than 400kHz */

  uint16_t I2C_Mode;                /*!< Specifies the I2C mode.
                                         This parameter can be a value of @ref I2C_mode */

  uint16_t I2C_DutyCycle;           /*!< Specifies the I2C fast mode duty cycle.This 
                                    parameter can be a value of @ref 
                                    I2C_duty_cycle_in_fast_mode */

  uint16_t I2C_OwnAddress1;         /*!< Specifies the first device own address.
                                         This parameter can be a 7-bit or 10-bit address. 
                                    */

  uint16_t I2C_Ack;                 /*!< Enables or disables the acknowledgement.
                                         This parameter can be a value of @ref 
                                     I2C_acknowledgement */

  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!< Specifies if 7-bit or 10-bit address is 
                                      acknowledged.This parameter can be a value of @ref 
                                     I2C_acknowledged_address */
}I2C_InitTypeDef;

1、I2C_ClockSpeed：设置I2C的传输速率。写入的参数不得高于400kHz。

2、I2C_Mode：选择I2C的使用方式。有I2C_Mode_I2C和I2C_Mode_SMBusHost、I2C_Mode_SMBusDevice，三种模式。直接设置I2C_Mode_I2C模式即可。

3、I2C_DutyCycle：是指SCL时钟的占空比。可选为（低电平：高电平=2：1）I2C_DutyCycle_2模式和16：9模式的I2C_DutyCycle_16_9，对要求不高的场合，可随便选。

4、I2C_OwnAddress1：配置STM32的I2C设备自己的地址。

5、I2C_ACK：配置应答信号，设置为I2C_ACK_Enable即可。

6、I2C_AcknowledgedAddress：选择I2C的寻址模式是7位还是10位。