• IIC通信协议

    IIC

    目录

    IIC

    IIC简介

    IIC的物理层

    IIC主要特点

    IIC的高阻态

    IIC地址

    主机地址

    从机地址

    从机地址规定

    IIC器件地址

    IIC协议

    软件模拟IIC

    IIC数据发送

    IIC简介

    IIC总线是一种由NXP公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机。

    在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，通信速率一般在100kHZ-400kHZ（48.8kb/s），高速IIC总线一般可达400kbps以上。IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI。

     

    IIC的物理层

    IIC一共只有两个总线，一条是双向的串行数据线SDA,一条是串行时钟线SCL。

    SDA数据线:用来传输数据的

    SCL时钟线:用来控制数据发送的时序的

    所有接到IIC总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的SCL都接到总线的SCL上。IIC总线上的每个设备都有自己唯一的地址，来确保不同设备间访问的准确性。

    IIC主要特点

    通信方式有异步和同步通信，IIC是同步通信。

    异步：发送方要等接收方响应才继续通信，阻塞的通信方式

    同步：不用管接收方是否有回应，是非阻塞的通信方式

    通常为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（即控制SCL时钟线的电平高低转换）谁就是主设备

    IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号

    IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测

    IIC的一个优点是它支持多主控，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。在任何时间点只能有一个主控。

    SCL和SDA都需要接上拉电阻保证数据的稳定性，减少干扰

    IIC是半双工通信，同一时间只可以单向通信

    为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极电路（OD）输出或集电极开路输出（OC）。

    IIC的高阻态

    漏极电路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻。

    高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态，逻辑门的输出有高低电平两种状态外，还有高阻状态的门电路。高阻态相当于隔断状态。三态门都有一个EN控制使能端来控制门电路的通断。处于高阻态的三态门是与总线隔离开的，这样总线可以同时被其他电路占用。EN=0时，Y为高阻状态。

    IIC的所有设备是连接在一根总线上的，那么进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那这时候其余空闲的设备可能会受到总线干扰，或者干扰到总线。

    为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉，而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路，整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

    IIC地址

    主机地址

    可随意设置，从设备必须配置地址

    从机地址

    IIC从地址有三种类型，7位、8位和10位，厂商采用不同的地址约定。

    7位寻址，如下图oled写入模式的从机地址

    IIC总线规范规定，标准模式从机地址为7位长，其次是读写位。

    在7位寻址过程中，从机地址在启动信号后的第一个字节开始传输，该字节的前7位为从机地址，第8位为读写位，0表示写，1表示读，它决定了传输的方向，第一个字节的第8位是0，表示主机会写信息到被选中的从机。

    从机地址规定

    任何IIC设备都必须遵循这个标准，USB2xxx传输的从机地址即为这7bit地址，不含读写位，读写位会根据不同的函数自动添加进去。

    保留地址：IIC规范保留了两组和8个地址，1111xxx和0000xxx。

    这些地址用于特殊用途。

    8位地址

    一些厂商在提供从机地址的时候说的是包含了读写位的8bit地址，比如他说写地址为0x92，读地址为0x93，8位寻址的情况下需要将这个地址的前7bit提取出来，然后传入USB2xxx的接口函数，如图

    判断厂商提供的地址是7bit模式地址还是8bit地址的方式：7bit地址模式下，地址的取值范围是0x07-0x78，超过了可能就是8bit。

    10位寻址

    IIC总线的10bit寻址和7bit寻址是兼容的，这样就可以在同一个总线上同时使用7bit地址和10bit地址模式的设备，在10bit寻址模式中，从机地址由7个有效位和3个可选位组成。有效位用于指定从机的地址，而可选位则用于扩展寻址范围。

    在IIC总线上，主机发送起始位和读/写位后，紧接着发送7个有效位来指定从机地址。如果需要使用10位寻址模式，则在发送完7个有效位后，再发送3个可选位。

    通过10位寻址模式，可以支持更多的从机地址，扩展了总线上可连接的设备数量。不过不是所有的设备都支持10位寻址模式，所以在使用时需要查看设备的规格说明书来确定支持的寻址模式。

    IIC器件地址

    每一个IIC器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设定好了，用户不可以更改。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定为1010，后三个地址由硬件链接确定的，所以IIC总线最多能连8个EEPROM芯片。

    IIC总线最多可以挂多少个设备：有IIC地址决定，8位地址，减去一位广播地址，2^7=128，0x00不用，所以理论上可以挂127个从器件。

    但是  IIC协议虽然没有规定总线设备最大数目，但是规定了总线电容不能超过400pF。管脚都是有输入电容的，PCB上也会有寄生电容，所以会有一个限制，有人测验大概是不超过8个器件。

    IIC协议

    总线时序图

    初始（空闲）状态：SCL和SDA都保持高电平

    起始信号：SCL为高电平，SDA由高电平变为低电平，数据开始发送

    结束信号：SCL为高电平，SDA由低电平变为高电平，数据传送结束

    有效的数据位传输：在IIC总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，数据在SDA上从高位向低位依次串行传送每一位数据。

    应答信号：发送器每发送一个字节（8个bit），就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。

    应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节。

    应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

    软件模拟IIC

    初始（空闲）状态

    1. void IIC_Init()
    2.  
    3. {  
    4.  
    5.     scl = 1;
    6.  
    7.     delay_us(5);
    8.  
    9.     sda = 1;
    10.  
    11.     delay_us(5);
    12.  
    13. }

    起始信号：SCL保持高电平，SDA由高电平(>4.7us)变为低电平(>4us),SCL变为低电平。

    1. //起始信号
    2.  
    3. void IIC_Start()
    4.  
    5. {
    6.  
    7.     scl = 1;
    8.  
    9.     sda = 1;
    10.  
    11.     delay_us(5);
    12.  
    13.     sda = 0;
    14.  
    15.     delay_us(5);
    16.  
    17.     scl = 0;
    18.  
    19. }

    结束信号：SCL保持高电平（>4us），SDA由低电平变为高电平(>4.7us),SDA变为低电平

    1. //结束信号
    2.  
    3. void IIC_Stop()
    4.  
    5. {
    6.  
    7.     scl = 1;
    8.  
    9.     sda = 0;
    10.  
    11.     delay_us(5);
    12.  
    13.     sda = 1;
    14.  
    15.     delay_us(5);
    16.  
    17.     sda = 0;
    18.  
    19. }

    数据有效性

    IIC信号在数据传输中，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，数据线上的电平状态才允许变化。

    SCL=1时，数据线任何的电平状态变换会看做是总线的起始信号或者终止信号。所以在传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平以保证数据的稳定传输。

    应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

    每发送一个字节（8个bit），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返回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

    1. //应答
    2.  
    3. void IIC_ACK()
    4.  
    5. {
    6.  
    7.     scl = 0;
    8.  
    9.     sda = 0;
    10.  
    11.     delay_us(1);
    12.  
    13.     scl = 1;
    14.  
    15.     delay_us(5);
    16.  
    17.     scl = 0;
    18.  
    19. }
    1. //非应答
    2.  
    3. void IIC_NACK()
    4.  
    5. {
    6.  
    7.     scl = 0;
    8.  
    9.     sda = 1;
    10.  
    11.     delay_us(1);
    12.  
    13.     scl = 1;
    14.  
    15.     delay_us(5);
    16.  
    17.     scl = 0;
    18.  
    19. }

    1. //应答信号sda为低电平，非应答为高电平
    2.  
    3. //所以读取SDA的状态来判断是什么信号
    4.  
    5. void IIC_read_ACK()
    6.  
    7. {
    8.  
    9.     char flag;//标志位，记录sda的状态
    10.  
    11.     sda = 1;//在时钟脉冲9期间释放数据线
    12.  
    13.     delay_us(2);
    14.  
    15.     scl = 1;
    16.  
    17.     delay_us(5);
    18.  
    19.     flag = sda;//在这个期间记录下sda的电平状态
    20.  
    21.     delay_us(5);
    22.  
    23.     scl = 0;
    24.  
    25. return flag;
    26.  
    27. }

    IIC数据发送

    数据传送时，先传送最高位（MSB），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到低的顺序传输完成后，紧接着从设备将拉低SDA线，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，则自动认为从机已正确接收到数据。

    IIC写数据

    IIC的每一帧数据由9bit组成

    如果是发送数据，则包含8bit数据+1bitACK

    如果是设备地址数据，则包含7bit设备地址+1bit方向位+1bitACK

    IIC总线数据格式：

    IIC写数据：

    1. //在SCL为高电平期间，发送数据，发送8次，，数据从高到低
    2.  
    3. //传输期间保持传输稳定，数据线仅可以在SCL为低电平时改变
    4.  
    5. void IIC_Write_Byte(chra dataSend)
    6.  
    7. {
    8.  
    9.     int i;
    10.  
    11.     for(i = 0;i < 8;i++){
    12.  
    13.         //拉低时钟开始数据传输
    14.  
    15.         scl = 0;
    16.  
    17.         //获取最高位给sda
    18.  
    19.         sda = dataSend & 0x80;//与1000 0000获得dataSend最高位
    20.  
    21.         delay_us(5);//发送数据建立时间
    22.  
    23.         scl = 1;//拉高时钟开始数据发送
    24.  
    25.         delay_us(5);
    26.  
    27.         scl = 0;//发送完毕拉低
    28.  
    29.         delay_us(5);//准备下一个数据位
    30.  
    31.         dataSend = dataSend << 1;//从高到低发送，左移获得下一位数据
    32.  
    33.     }
    34.  
    35. }

    主机向从机发送数据时：

    1. 主机产生start信号
    2. 发送从机地址，第8位数据方向位为0，表明主机要发送数据
    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，根据R/T位将自己确定为接收器
    4. 这时主机就等待从机的应答信号
    5. 当主机接收到应答信号后，发送要访问的从机的寄存器地址，然后等待从机的应答信号
    6. 当主机收到应答信号，发送n个字节的数据，继续等待从机的n次应答信号
    7. 主机产生停止信号，结束传送过程

    IIC读数据

    1. //读数据
    2.  
    3. void IIC_Read_Byte()
    4.  
    5. {
    6.  
    7.     int i,value = 0;
    8.  
    9.     delay_us(1);
    10.  
    11.     for(i = 0;i < 8;i++){
    12.  
    13.         value <<= 1;
    14.  
    15.         scl = 1;
    16.  
    17.         delay_us(1);
    18.  
    19.         if(sda = 1){
    20.  
    21.             value++;
    22.  
    23.         }
    24.  
    25.         delay_us(1);
    26.  
    27.         scl = 0;
    28.  
    29.         delay_us(1);
    30.  
    31.     }
    32.  
    33.     return value;
    34.  
    35. }

    主机从 从机读数据时：

    1. 主机产生start信号
    2. 发送从机地址，此时该地址第8位为0，表示向从机写命令
    3. 主机等待从机的应答信号ACK
    4. 主机收到应答信号时，发送要访问的地址，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，从机由接收变为传送）所以主机重新发送一个开始start信号，然后发送从机地址，这时该地址的第8位为1，表明将主机设置为接收模式开始读数据。
    6. 然后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，表示不再接收数据。
    7. 主机进而产生停止信号，结束传送过程。

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