IIC协议详解

IIC协议层

IIC 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：启始信号（Start）、终止信号(Stop)和应答信号(Ack)。
启始信号：SCL 为高电平时（1），SDA 由高电平向低电平跳变，表示起始信号，接下来可以进行数据传输，必须有；
终止信号：SCL 为高电平时（1），SDA 由低电平向高电平跳变，表示终止信号，表示结束数据传输，必须有；
应答信号：接收端器件（不论主从）在接收到 8bit 数据后，向发送端器件（不论主从）发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。发送端向接收端发出一个信号后，等待接收端发出一个应答信号，发送端接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递数据的判断。若在约定的等待周期内未收到应答信号，判断为接收端接收数据不成功。
非应答信号：若接收端希望结束数据传输，则可以向发送端发一个“非应答信号NAck”，接收端收到此信号后会产生一个终止信号，结束传输。

启始信号：SCL高电平（1）状态下，SDA由高（1）变低（0），保持至少4.7us后，产生启始信号；程序表示如下

    void IIC_Start()        
   {
       SDA=1;             //确保SDA线为高电平
       SCL=1;             //确保SCL高电平
       delay_us(5);       //保持5us
       SDA=0;             //在SCL为高时拉低SDA，产生启始信号
       delay_us(5);
   }

终止信号：SCL高电平（1）状态下，SDA由高（0）变低（1），保持至少4.7us后，产生终止信号；程序表示如下

    void IIC_Stop()         
   {
       SDA=0;             //确保SDA线为低电平
       SCL=1;             //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       SDA=1;             //在SCL为高时拉高SDA线，产生终止信号
       delay_us(5);     
    }
 

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平（SDA=0）表示产生应答，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，可以继续发送；若为高电平（SDA=1）时，为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功，结束发送。如下图
每发送一个字节（8个bit）后，在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。程序表示如下：
//主机产生应答信号Ack

void IIC_Ack(void)
{
   SCL=0;                          //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   SDA=0;                          //SAD=0，产生应答信号 
   delay_us(2);
   SCL=1;

   delay_us(5);
   SCL=0;                         //一个SCL时钟等待周期
   delay_us(5);
   SDA=1;                         //释放SDA总线控制权

}

有时候从机因某种原因不需要对主机应答时，须将SDA置为高电平（1），由主机产生终止信号结束数据传输。程序表示如下：

//主机产生非应答信号NAck

void IIC_NAck(void)
{
   SCL=0;                          //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   SDA=1;                          //SAD=1，产生非应答信号 
   delay_us(2);
   SCL=1;
   delay_us(5);
   SCL=0;
   delay_us(5);
}

在实际写程序时，我们可以用一个等待应答子程序来判断应答信号，程序如下：

等待接收端的应答信号：应答0，非应答1

u8 IIC_WaitAck (void)
{
    u8 temptime;                  //临时计时器
    SDA=1;                        // 释放SDA线的控制权              
    SCL=1;
    delay_us(5);
    if(SDA_READ==1)               // 如果读回的SDA=1，则为非应答
     {
       temptime++;
       if(temp>250)               //超时，这里250大概数参考
                    {
           IIC_Stop();            //停止传输
           return 1;
                    }
     }
     SCL=0;                      // SCL拉低
     delay_us(5);     
     return 0;                   //如果读回的SDA=0，则为应答
}

四、IIC数据有效性规定和传输格式

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间(SCL=0)，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。简而言之，SCL=1时， 数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号，只有SCL=0时，才允许SDA数据进行电平转换。如下图所示

在IIC数据传输过程中，输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，高位（MSB）在前，低位（LSB）在后，每次发送的字节数量不受限制，但是每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA=0，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成 ；如果一段时间内没有收到从机的应答信号（SDA=1），则认为该数据接收不成功。如下图

主机写数据过程如下：
1.主机首先产生START信号；
2.然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)， 0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)；
3.主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，将自己确定为发送器和接收器；
4.这时候主机等待从机的应答信号(A)
4.1当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址， 继续等待从机的应答信号；
4.2当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号；
4.3主机产生停止信号，结束传送过程。

主机发送数据程序表示如下：
//写入一个字节

void Send_Byte(u8 dat)
{
 u8 i;
    SCL=0;                   //拉低时钟，开始传输数据
 for(i=0;i<8;i++)
 {
  if(dat&0x80)              //将dat的8位从最高位依次写入
  {
   SDA=1;                  //传送1
    }
  else
  {
   SDA=0;                 //传送0
  }
  delay_us(5);            //这里延时可选2-10us，根据实际情况确定，不要省略
  SCL=1;                  //SCL=1，保持SDA不变
  delay_us(5);           
  SCL=0;                  //SCL=0，允许SDA跳变
    delay_us(5);      //表示一个SCL时钟周期传送1位数据
  dat<<=1;                //下一位数据
  }
}

IIC主机发送一个字节程顺序如下（以AT24C02为例）

void IIC_ WR_Byte(u8 dat,u8 mode)
{
 IIC_Start();                //启动信号
 Send_Byte(0xA0);           //RW=0表示主机写入，发送从机地址要根据实际器件确定
 IIC_WaitAck();              //等待应答
 Send_Byte(address);         //发送要写入的字节地址（此处与0XA0不同）
 Send_Byte(dat);             //发送数据
 delay_us(2);
    IIC_WaitAck();            //等待应答，若是非应答则结束发送数据
 IIC_Stop();                 //完成发送
}

主机读（接收）数据过程如下：
1.主机首先产生START信号；
2.然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为RW=0，表明是向从机写命令；
3.这时候主机等待从机的应答信号(ACK)；
4.当主机收到应答信号后，发送要访问的从机地址，继续等待从机的应答信号；
5.当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式（主机由发送变为接收，从机由接收变为发送）；
5.1主机重新发送一个开始start信号；
5.2然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为RW=1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据；
5.3主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据；
6.主机进而产生停止信号，结束传送过程。程序表示如下：

//IIC主机接收一个字节

void IIC_Read_Byte(u8 ack)
{
 u8 i=0,receive=0;
    IIC_SDA_IN();                  //SDA设为输入
    for(i=0;i<8;i++)
 {
       SCL=0; delay_us(2);          //允许数据转换
       SCL=1; delay_us(2);          //读数据
       receive<<=1;                 //读下一位
       if(Read_Sda==1) receive++;
  delay_us(2);
}
if(!ack)  IIC_NAck();                             //发送非应答
else    IIC_Ack();                              //发送应答
return  receive;
}
  }

以读取EEPROM AT24C02为例，读取程序如下（仅参考）：

u8 IIC_READ_AT24C02(u16 addr)
{
  u8 temp=0;
  IIC_Start();                       //发首次启始信号
  Send_Byte(0xA0);                 //发送地址，D0=0表示写入
  IIC_WaitAck();                    //等待应答
  Send_Byte(data);                 //发送数据（24C02数据低位地址）
  IIC_WaitAck();
  IIC_Start();                       //再次发启始信号
  Send_Byte(0xA1);                 //发送地址，D0=1表示读入数据，与上面相反
  IIC_WaitAck();
  temp= IIC_Read_Byte(0);          //应答
  IIC_Stop();                      //结束
  return temp;
}

作者：e小白官方 https://www.bilibili.com/read/cv16110897?spm_id_from=333.999.0.0 出处：bilibili