什么是IIC通信協(xié)議

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
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
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，寫代碼會相對簡單， 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 ， 模擬一遍會對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的信號和數(shù)據(jù)傳輸， 下面會講到根據(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 、 停止信號 、 應(yīng)答信號 、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)候會在最低位加上讀/寫信號，比如設(shè)備地址為0x50，0表示讀，1表示寫，則讀數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x50，寫數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x51。

三. 起始(START)信號

I2C通信的起始信號由主設(shè)備發(fā)起，SCL保持高電平，SDA由高電平跳變到低電平。

// 起始信號
void IIC_start(void)
{
    // 1.首先把數(shù)據(jù)線設(shè)置為輸出模式
    // 總線空閑, SCL和SDA輸出高
    SCL = 1;  
    SDA = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由高變低
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    
    // 拉低SCL開始傳輸數(shù)據(jù)
    SCL = 0;
}

四. 停止(STOP)信號

I2C通信的停止信號由主設(shè)備終止，SCL保持高電平，SDA由低電平跳變到高電平。

// 停止信號
void IIC_stop(void)
{
    // 1.首先把數(shù)據(jù)線設(shè)置為輸出模式
    
    // 拉高時(shí)鐘線
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由低變高
    SDA = 1;
}

五. 數(shù)據(jù)有效性

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL的每個(gè)時(shí)鐘脈沖期間傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位， 時(shí)鐘信號SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定 ，只有在時(shí)鐘線SCL上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化，因?yàn)楫?dāng)SCL是高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA的變化被規(guī)定為 控制命令 （START或 STOP ，也就是前面的起始信號和 停止信號 ）。

六. 應(yīng)答信號(ACK：有效應(yīng)答，NACK：無效應(yīng)答)

接收端收到有效數(shù)據(jù)后向?qū)Ψ巾憫?yīng)的信號，發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)字節(jié)(8位)數(shù)據(jù)，在第9個(gè)時(shí)鐘周期釋放數(shù)據(jù)線去接收對方的應(yīng)答。

當(dāng)SDA是低電平為有效應(yīng)答(ACK)，表示對方 接收成功 ；

當(dāng)SDA是高電平為無效應(yīng)答(NACK)，表示對方 沒有接收成功 。

發(fā)送數(shù)據(jù)需要等待接收方的應(yīng)答：

// 等待ACK   1-無效    0-有效
u8 IIC_wait_ack(void)
{
    u8 ack = 0;
    
    // 數(shù)據(jù)線設(shè)置為輸入
    
    // 拉高時(shí)鐘線
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    // 獲取數(shù)據(jù)線的電平
    if(SDA)
    {   // 無效應(yīng)答
        ack = 1;
        IIC_stop();
    }
    else
    {   // 有效應(yīng)答
        ack = 0;
        // 拉低SCL開始傳輸數(shù)據(jù)
        SCL = 0;
        delay_us(5);
    }
    
    return ack;
}

接收數(shù)據(jù)需要向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答：

void IIC_ack(u8 ack)
{
    // 數(shù)據(jù)線設(shè)置為輸出
    
    SCL = 0;
    delay_us(5);
    
    if(ack)
        SDA = 1; // 無效應(yīng)答
    else
        SDA = 0; // 有效應(yīng)答      
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    // 保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定
    delay_us(5);
    // 拉低SCL開始傳輸數(shù)據(jù)
    SCL = 0;
}