【STM32F407学习笔记】模拟IIC协议

通信总线在嵌入式系统有着极其重要的地位，它是单片机与单片机通信，单片机与外围设备通信的一个协议，如果没有这些协议，我们就不能保证数据的有效性。我们常用的总线有USART、IIC、SPI、CAN等。
涉及外设：GPIO、MPU9250

1. IIC协议简介

IIC通信协议（Inter-Integrated Circuit）是由飞利浦公司开发的，由于它的引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通信协议的外部收发设备，被广泛地应用在系统内多个集成电路（IC）间的通信。下面我们分别对IIC协议的物理层及协议层进行讲解。

1.1 物理层

物理层特点：
1）支持多设备的总线。在一个IIC通信总线中，可连接多个IIC通信设备，支持多个通信主机及多个通信从机。
2）一个IIC总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。数据线用于传输数据，时钟线用于数据收发同步。
3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址。主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
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，有上拉电阻将总线变为高电平。
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哪个设备占用总线。
6）具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式可达3.4Mbit/s，但目前大部分I2C设备尚不支持高速模式。
7）连接到相同总线的IC数量收到总线最大电容400pF限制。

1.2 协议层

IIC的协议定义了通讯的起始信号、停止信号、数据有效性、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

1.2.1 I2C基本读写流程

I2C的通信流程可以分为三部分，如途中所示：

其中灰色代表：数据从主机到从机，白色表示：数据从从机到主机，S:开始信号，SLAVE ADDRESS：从机地址，R/W:传输方向选择位（1读0写），A/Ā：应答（ACK）/非应答（NACK）信号，P：停止信号。这三个序列分别代表：主机写数据到从机、主机读取从机数据、复合通信模式。
起始信号(S)：表示由主机的I2C接口产生的传输，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。
从机地址（SLAVE ADDRESS）：起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接着广播下来的从机地址（SLAVE ADDRESS）。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从机地址相同时，这个设备就被选中了，没有被选中的设备将忽略后续的数据信号。
传输方向选择位（R/W）：在地址位之后是传输方向选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是有主机写数据到从机、该位为1时，即主机读取从机数据。从机地址+传输方向位一般是8位。
应答信号（A）：第一种：从机接收到匹配的地址，从机返回应答信号（ACK）表示找到对应地址的从机设备；第二种，当从机被寻址，主机写数据到从机时：要求从机每接收到一个字节都需要给主机一个应答（ACK），主机只有接收到应答信号后，才能继续发送数据。主机读从机数据时：主机每接收一个字节都需要给从机一个应答（ACK），从机只有接收到应答之后，才能继续发送数据。
非应答信号（NACK）：主机读取从机数据时：主机接收完最后一个字节，必须产生一个非应答信号（NACK），用来通知从机不要再发送数据了，这样从机也就释放了SDA。主机写入从机数据时：主机发送到最后一个字节时，从机给主机返回非应答信号（NACK），用来通知主机不用发送数据了，这样释放从机SDA。
停止信号（P）：实验数据传输完成时，主机会给出一个停止信号，用于结束此次通信。
最常用的是复合通信模式，如图中所示的流程为：主机发出起始信号S，并产生从机地址，传输方向选择为写，从机产生一个应答信号ACK，主机写入一个字节的数据，从机产生一个ACK应答信号；再给一个起始信号，传输方向选择为读，从机产生一个ACK应答信号，并输出数据给主机，从机产生NACK，最后主机产生停止信号P。
总结：I2C通信中，SDA和SCL都是由主机控制的，从机只能将SDA线拉低而已，对于SCL线，从机是没有任何能力去控制的。

1.2.2 I2C通信各信号分解

• 起始和停止信号
  
  如图中所示，当IIC是空闲时SCL和SDA都是高电平。当SCL是高电平时，SDA由高电平向低电平切换，这个情况表示通信的起始；当SCL时高电平时，SDA由低电平向高电平切换，这个情况表示通信的结束。起始停止信号由主机产生。
• 地址与数据方向
  
  I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通信时，通过SDA信号线发送从机地址来查找从机。IIC协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位应用较为广泛。紧跟从机地址的一个数据位用于表示数据的传输方向，它是数据方向位（R/W），第8位或第11位。数据方向位为1，表示主机读取从机数据；数据方向位为0，表示主机向从机写入数据。
• 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在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时：SCL为高电平SDA表示的数据有效，即此时的SDA高电平表示数据1，低电平表示数据0。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这时候（SCL低电平时）进行SDA电平切换，为下一位数据做好准备。
• 应答与非应答
  
  I2C的数据和地址传输都需要带响应。响应包括“应答ACK”和“非应答信号NACK”两种。作为数据接收端，当设备（无论主从机）接收到I2C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“应答信号(ACK)”，发送方会继续发送下一个数据；若接收方希望结束数据传输，则向对方发送“非应答信号(NACK)”，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。

2. GPIO模拟IIC时序

STM32F4自带IIC硬件接口，通信速度能达到400kHz。但是其缺点是通用性不好，不同芯片配置不同，引脚固定。所以我们选择使用IO口模拟IIC，它具有通用性强，移植方便，可用任意IO口模拟等特点。

2.1 GPIO模式初始化

IIC一共两条总线SDA与SCL，所以只需要两个IO口，其中SDA为数据线，主机从机都可以控制，既需要输出也需要输入，所以模拟时序时需要有IO输入与输出模式切换。SCL为时钟线，仅由主机控制，所以只需配置成输出模式。
因为在IIC总线上，有上拉电阻对电平进行拉高，在空闲时总线上是高电平，因此只需要配置输出为开漏模式（只能输出低电平）

#define RCC_IIC_SCL RCC_AHB1Periph_GPIOB // 端口时钟
#define IIC_SCL_PORT GPIOB               // 端口
#define IIC_SCL GPIO_Pin_6               // 引脚

#define RCC_IIC_SDA RCC_AHB1Periph_GPIOB // 端口时钟
#define IIC_SDA_PORT GPIOB               // 端口
#define IIC_SDA GPIO_Pin_7               // 引脚

// IO操作函数
#define IIC_SCL_H IIC_SCL_PORT->BSRR |= IIC_SCL                 // SCL置1
#define IIC_SCL_L IIC_SCL_PORT->BSRR |= (uint32_t)IIC_SCL << 16 // SCL置0
#define IIC_SDA_H IIC_SDA_PORT->BSRR |= IIC_SDA                 // SDA置1
#define IIC_SDA_L IIC_SDA_PORT->BSRR |= (uint32_t)IIC_SDA << 16 // SDA置0
#define READ_SDA (IIC_SDA_PORT->IDR & IIC_SDA) ? 1 : 0          // 读取SDA输入（IIC_SDA_PORT->IDR & IIC_SDA表示IIC_SDA口的IIC_SDA引脚）

void IIC_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // GPIO时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_IIC_SCL, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_IIC_SDA, ENABLE);
    // GPIO初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IIC_SCL;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;      // 输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;     // 开漏输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; // 速度
    GPIO_Init(IIC_SCL_PORT, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IIC_SDA;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;      // 输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;     // 开漏输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; // 速度
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;       // 仅对输入时有效
    GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);

    IIC_SCL_H;
    IIC_SDA_H;
}

2.2 模拟IIC时序

• 起始信号

  void IIC_Start(void)
  {
  	// 输出
  	SDA_OUT();
  	IIC_SDA_H;
  	IIC_SCL_H;
  	delay_us(4);
  	IIC_SDA_L;// 拉低SDA
  	delay_us(4);
  	IIC_SCL_L;// 钳住IIC总线，准备发送或接收数据
  }
  

• 停止信号

  void IIC_Stop(void)
  {
  	SDA_OUT();
  	IIC_SCL_L;
  	IIC_SDA_L;
  	delay_us(4);
  	IIC_SCL_H;
  	IIC_SDA_H;
  	delay_us(4);
  }
  

• 产生ACK应答

  void IIC_ACK(void)
  {
  	IIC_SCL_L;
  	SDA_OUT();
  	IIC_SDA_L;
  	delay_us(1);
  	IIC_SCL_H;
  	delay_us(2);
  	IIC_SCL_L;
  }
  

• 产生NACK应答

  void IIC_NACK(void)
  {
  	IIC_SCL_L;
  	SDA_OUT();
  	IIC_SDA_H;
  	delay_us(1);
  	IIC_SCL_H;
  	delay_us(1);
  	IIC_SCL_L;
  }
  

• 等待应答信号

  uint8_t IIC_waitACK(void)
  {
  	uint8_t ucErrTime=0；
  	SDA_IN();
  	IIC_SDA_H;
  	delay_us(1);
  	IIC_SCL_H;
  	delay_us(1);
  	while(READ_SDA)
  	{
  		ucErrTime++;
  		if(ucErrTime>250)
  		{
  			IIC_Stop();
  			return 1;
  		}
  	}
  	IIC_SCL_L;
  	return 0;
  }
  

3. 读取MPU6050 WHO AM I 寄存器

MPU6050中有一个WHO AM I寄存器，能够帮我们快速验证模拟IIC的实现是否正确，寄存器的位图如下：

这个寄存器用于验证设备的标识。WHO AM I的内容是一个8位的设备ID，寄存器的地址是0x75，寄存器的默认值是0x68。MPU6050在AD0引脚接GND（或为空）时，读取用的I2C地址为：0x68。下面实现通过IIC读取从机一个字节数据的函数：

/// @brief 读取指定设备，指定寄存器的一个值
/// @param I2C_Addr 目标设备地址
/// @param reg 寄存器地址
/// @param buf 读取数据存放地址
/// @return 1失败 0成功
uint8_t IIC_ReadByteFromSlave(uint8_t I2C_Addr, uint8_t reg, uint8_t *buf)
{
    IIC_Start();
    IIC_SendByte((I2C_Addr << 1) | 0); // 写入模式 发送从机地址：七位地址，左移一位并与上0，表示写
    if (IIC_waitACK())                 // 等待从机应答
    {
        // 非应答
        IIC_Stop();
        return 1;
    }
    IIC_SendByte(reg); // 发送寄存器地址
    IIC_waitACK();

    IIC_Start();
    IIC_SendByte((I2C_Addr << 1) | 1); // 接收模式
    IIC_waitACK();
    *buf = IIC_ReadByte(0); // 仅读取一个字节
    IIC_Stop();
    return 0;
}

然后调用函数即可读取寄存器的一个字节内容：

uint8_t ID;
IIC_ReadByteFromSlave(0x68, 0x75, &ID);