I2C通信特征

1.1、物理接口：SCL + SDA

(1)SCL(serial clock)：時(shí)鐘線，傳輸CLK信號(hào)，一般是I2C主設(shè)備向從設(shè)備提供時(shí)鐘的通道。

(2)SDA(serial data): 數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)都通過SDA線傳輸

1.2、通信特征：串行、同步、非差分、低速率

串行：只有一根數(shù)據(jù)線，每次傳輸一個(gè)bit位;

同步：主設(shè)備和從設(shè)備的工作時(shí)鐘頻率是一樣的，主設(shè)備通過SCL時(shí)鐘線給從設(shè)備提供時(shí)鐘頻率;

非差分：因?yàn)镮2C通信速率不高，而且通信雙方距離很近，一般是板級(jí)通信，所以使用電平信號(hào)通信;

低速率：I2C一般是用在同一個(gè)板子上的2個(gè)IC之間的通信，而且用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以本身通信速率很低。一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體在編程的時(shí)候要看自己所使用的設(shè)備允許的I2C通信最高速率，不能超過這個(gè)速率;

1.3、通信模式：主設(shè)備+從設(shè)備

(1)I2C通信時(shí)，通信設(shè)備之間的地位是平等的，分為主設(shè)備和從設(shè)備，其中主設(shè)備一個(gè)、從設(shè)備多個(gè)。主設(shè)備要主導(dǎo)整個(gè)通信過程，從設(shè)備根據(jù)I2C協(xié)議被動(dòng)的響應(yīng)主設(shè)備;

(2)在I2C通信中，沒有規(guī)定誰做主設(shè)備、誰做從設(shè)備，是通信雙方自己協(xié)商的。一個(gè)設(shè)備在同一時(shí)間只能做主設(shè)備或者從設(shè)備，但是有的設(shè)備可以通過軟件配置來決定在此次通信時(shí)做主設(shè)備還是從設(shè)備。

I2C總線是Philips公司在八十年代初推出的一種串行、半雙工的總線，主要用于近距離、低速的芯片之間的通信;I2C總線有兩根雙向的信號(hào)線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時(shí)鐘線SCL用于通信雙方時(shí)鐘的同步;I2C總線硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了PCB布線，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性，因此在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

I2C總線是一種多主機(jī)總線，連接在 I2C總線上的器件分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)有權(quán)發(fā)起和結(jié)束一次通信，從機(jī)只能被動(dòng)呼叫;當(dāng)總線上有多個(gè)主機(jī)同時(shí)啟用總線時(shí)，I2C也具備沖突檢測(cè)和仲裁的功能來防止錯(cuò)誤產(chǎn)生;每個(gè)連接到I2C總線上的器件都有一個(gè)唯一的地址(7bit)，且每個(gè)器件都可以作為主機(jī)也可以作為從機(jī)(但同一時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī))，總線上的器件增加和刪除不影響其他器件正常工作;I2C總線在通信時(shí)總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的器件為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。

I2C總線可以通過外部連線進(jìn)行在線檢測(cè)，便于系統(tǒng)故障診斷和調(diào)試，故障可以立即被尋址，軟件也有利于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，縮短開發(fā)時(shí)間。

I2C總線上可掛接的設(shè)備數(shù)量受總線的最大電容400pF限制。

串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，快速模式下可達(dá)400Kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。

總線具有極低的電流消耗，抗噪聲干擾能力強(qiáng)，增加總線驅(qū)動(dòng)器可以使總線電容擴(kuò)大10倍，傳輸距離達(dá)到15m;兼容不同電壓等級(jí)的器件，工作溫度范圍寬。

2、通信過程

主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)啟用總線

主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機(jī)地址和后續(xù)字節(jié)的傳送方向

被尋址的從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)主機(jī)

發(fā)送器發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)回應(yīng)發(fā)送器

…….. (循環(huán)步驟4、5)

通信完成后主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)釋放總線

第4步和第5步用的是發(fā)送器和接收器，不是主機(jī)和從機(jī)，這是由第一個(gè)字節(jié)的最后一位決定主給從發(fā)，還是從給主發(fā)。

也就是說，第一個(gè)字節(jié)和最后的停止信號(hào)一定是主機(jī)發(fā)給從機(jī)，但中間就不一定了。

發(fā)送數(shù)據(jù)過程中不允許改變發(fā)送方向(除非重啟一次通信，詳見后文典型I2C時(shí)序(3)部分)。

3、尋址方式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)是廣義的，既包括地址，又包括真正的數(shù)據(jù)。

主機(jī)在發(fā)送起始信號(hào)后必須先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的高7位為從機(jī)地址，最低位表示后續(xù)字節(jié)的傳送方向，‘0’表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給->從機(jī)，‘1’表示從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給->主機(jī)。

總線上所有的從機(jī)接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)后都將這7位地址與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己被主機(jī)尋址，然后再根據(jù)第8位將自己定為發(fā)送器或接收器。

4、起始信號(hào)和停止信號(hào)

SCL為高電平時(shí)，SDA由高變低表示起始信號(hào);

SCL為高電平時(shí)，SDA由低變高表示停止信號(hào);

起始信號(hào)和停止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出，起始信號(hào)產(chǎn)生后總線處于占用狀態(tài)，停止信號(hào)產(chǎn)生后總線被釋放，處于空閑狀態(tài)。

空閑時(shí)，SCL與SDA都是高電平。

I2C(IIC)屬于兩線式串行總線，由飛利浦公司開發(fā)用于微控制器(MCU)和外圍設(shè)備(從設(shè)備)進(jìn)行通信的一種總線，屬于一主多從(一個(gè)主設(shè)備(Master)，多個(gè)從設(shè)備(Slave))的總線結(jié)構(gòu)，總線上的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)特定的設(shè)備地址，以區(qū)分同一I2C總線上的其他設(shè)備。

物理I2C接口有兩根雙向線，串行時(shí)鐘線(SCL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)組成，可用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但是通信都是由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備被動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

I2C主設(shè)備與從設(shè)備的一般通信過程

一. 主設(shè)備給從設(shè)備發(fā)送/寫入數(shù)據(jù)：

1.主設(shè)備發(fā)送起始(START)信號(hào)

2. 主設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址到從設(shè)備

3. 等待從設(shè)備響應(yīng)(ACK)

4. 主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備，一般發(fā)送的每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后會(huì)跟著等待接收來自從設(shè)備的響應(yīng)(ACK)

5.數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，主設(shè)備發(fā)送停止(STOP)信號(hào)終止傳輸

二. 主設(shè)備從從設(shè)備接收/讀取數(shù)據(jù)

1.設(shè)備發(fā)送起始(START)信號(hào)

2. 主設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址到從設(shè)備

3. 等待從設(shè)備響應(yīng)(ACK)

4.主設(shè)備接收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)，一般接收的每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后會(huì)跟著向從設(shè)備發(fā)送一個(gè)響應(yīng)(ACK)

5.一般接收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送一個(gè)無效響應(yīng)(NACK)，然后主設(shè)備發(fā)送停止(STOP)信號(hào)終止傳輸

注：具體通信過程需視具體時(shí)序圖而定

I2C通信的實(shí)現(xiàn)

一.使用I2C

控制器

實(shí)現(xiàn)

就是使用芯片上的I2C外設(shè)，也就是硬件I2C，它有相應(yīng)的I2C驅(qū)動(dòng)電路，有專用的IIC引腳，效率更高，寫代碼會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只要調(diào)用I2C的控制函數(shù)即可，不需要用代碼去控制SCL、SDA的各種高低電平變化來實(shí)現(xiàn)I2C協(xié)議，只需要將I2C協(xié)議中的可變部分(如：從設(shè)備地址、傳輸數(shù)據(jù)等等)通過函數(shù)傳參給控制器，控制器自動(dòng)按照I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸，但是如果出現(xiàn)問題，就只能通過示波器看波形找問題。

二.使用GPIO通過軟件

模擬

實(shí)現(xiàn)

軟件模擬I2C比較重要，因?yàn)檐浖M的整個(gè)流程比較清晰，哪里出來bug，很快能找到問題，模擬一遍會(huì)對(duì)I2C通信協(xié)議更加熟悉。

如果芯片上沒有IIC控制器，或者控制接口不夠用了，通過使用任意IO口去模擬實(shí)現(xiàn)IIC通信協(xié)議，手動(dòng)寫代碼去控制IO口的電平變化，模擬IIC協(xié)議的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)IIC的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，下面會(huì)講到根據(jù)通信協(xié)議如何用軟件去模擬。

I2C通信協(xié)議

IIC總線協(xié)議無非就是幾樣?xùn)|西：起始信號(hào)、停止信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、以及數(shù)據(jù)有效性。

一. 空閑狀態(tài)

時(shí)鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)接上拉電阻，默認(rèn)高電平，表示總線是空閑狀態(tài)。

二. 從設(shè)備地址

從設(shè)備地址用來區(qū)分總線上不同的從設(shè)備，一般發(fā)送從設(shè)備地址的時(shí)候會(huì)在最低位加上讀/寫信號(hào)，比如設(shè)備地址為0x50，0表示讀，1表示寫，則讀數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送0x50，寫數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送0x51。