IIC总线概述和通信时序代码详细图文解析

IIC总线

1 IIC总线概述

I2C总线两线制包括：串行数据SDA（Serial Data）、串行时钟SCL（Serial Clock）。总线必须由主机（通常为微控制器）控制，主机产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。

IIC总线特征：同步串行半双工(同一时刻只能是一种身份)

2 IIC总线拓扑图

SDA：双向串行数据线，数据是一位一位传输，既可以从主机发送到从机，也可以从从机发送到主机

SCL：时钟线（单向），驱动数据线SDA的信号由时钟线SCL提供，只能由主机发送，从机接收

主机：主机产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始条件(占用总线)和停止条件(释放总线)

从机：从机也能发送数据给主机，但是从机永远不会主动给主机发送数据。

主机是主宰

主机是如何找到从机来进行通信的呢？

2.1 主从设备通信

主机如何能找到对应的从机与其进行通信？

每个从机都有一个唯一的器件地址，主机就是通过这个器件地址去找到对应的从机与其通信。

器件地址谁分配？如何分配?（具体查看模块手册）

在IIC总线上，从机的器件地址可以为7位或者10位，一般情况下都是7位器件地址。

在器件地址中包含了固定地址（在高位，不可变）和可编程地址（在低位，可变）

器件地址的位数是由厂家决定

固定地址的位数和内容也是由厂家决定

可编程地址的位数由厂家决定

可编程地址的内容由使用者决定

3 IIC数据帧

UART数据帧格式：起始位+数据位（5~8）+校验位+停止位。

IC数据帧格式：起始条件+数据位（8位）+应答位+停止条件

起始条件：一次通信的开始（主机占用总线）

数据位：从发送器到接收器，连续的8位数据

应答位：当接收器成功接收到发送器的8位数据后，必须应答。0代表应答，1代表非应答。

停止条件：一次通信的结束（主机释放总线，双线电平拉高）

4 标准IIC协议

空闲状态

开始信号

停止信号

应答信号

数据的有效性

数据传输

4.1 空闲状态（都拉高，数据比时钟快）

空闲状态：此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

4.2 起始条件（CD高D变低）和停止信号（C高D变高）

起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

起始条件伪代码

SCL=1SDA=1 //起始前都是高电平//延时，起始条件建立时间SDA=0//SDA变低，产生起始条件//延时，起始条件的保持时间SCL=0//一个周期的结束

停止条件伪代码

SCL=1SDA=0//低//延时，停止条件建立时间SDA=1//SDA变高 产生停止条件//延时，本次停止条件到下一个起始条件的时间间隔

4.3 位传输(C低D准备数据，C拉高读取D)

SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据的准备是在SCL的低电平，数据位的传输是上边沿触发。

拉低准备数据，拉高采集数据

主机发送一位数据给从机：（主机输出）

SCL=0//主机拉低时钟线SDA=0/1//主机在总线上准备数据//延时，让数据稳定在数据线上SCL=1//主机拉高时钟线从机在时钟上升沿从总线上采集数据//延时，给时间从机采集数据

主机读取从机发送的一位数据：（主机输入）

SCL=0//主机拉低时钟线从机在总线上准备数据（从机自动进行，主机不动作）//延时，让数据稳定在数据线上SCL=1//主机拉高时钟线主机读取SDA//主机在时钟上升沿从总线上采集数据//延时，给时间主机机采集数据

4.4 应答位（第九位发送高（不应答）低（应答））

发送器每发送一个字节，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

主机读取从机的应答：（主机读取一位数据）

主机每发送1个字节给从机后，都必须通过这个应答位查看从机是否能正常收到，如果一旦读到的是非应答信号（‘1’），表明没有正常接收到当前字节数据，通信就要终止（主机发送停止信号）

SCL=0//主机拉低时钟线 （还是拉低给数据，拉高采集数据）从机根据自己接受的情况，给不给主机应答信号//延时，让数据稳定在数据线上SCL=1//主机拉高时钟线主机读取SDA//主机在时钟上升沿从总线上采集应答信号//延时，给时间主机机采集数据如果采集到的0，表示有应答，如果采集到的是1，表示非应答

主机发送一个应答给从机：（主机发送一位数据）

主机每读取完从机发送过来的一个字节数据后，都必须给从机一个应答信号。如果主机读取完当前字节后还想从机继续给它发下一个字节数据，就要给从机应答（‘0’），如果主机读取完当前字节后不想从机再给它发数据，那么主机发送非应答信号（‘1’）给从机。

SCL=0//主机拉低时钟线SDA=0/1//主机根据自己的情况，决定给不给应答从机//延时，让数据稳定在数据线上SCL=1//主机拉高时钟线从机在时钟上升沿从总线上采集应答位//延时，给时间从机采集数据

4.5 IIC延时根据

假如知道是400KHz最大值，400KHz，意味着数据是800KHz。那么一个命令或数据需要的时间是1.25um。延时的目的是，一个IIC外设命令到下一个命令之间，要有大概一个信号跳变间隔咯？

100KHZ意味着数据是200KHZ。需要延时5um

5 IIC的寻址方式

器件地址（8位）组成：7位从设备地址+1位方向位

从设备地址包含了固定地址和可编程地址

方向位决定有效数据位的传输方向，主机—》从机（主机写） 还是 从机----》主机（主机读）

5.1 IIC一次完整通信

\1. 主机发送起始条件（主机占用总线，唤醒总线所有的从机）

\2. 主机发送器件地址（总线上所有的从机就会拿这个器件跟自身进行比较，匹配成功的那个从机就会回复 一个应答信号给主机，并根据方向位来决定数据传输方向）

\3. 进行有效数据交流（每传输完一个直接数据都要给应答）

\4. 主机发送停止信号（释放总线，结束本次通信）

5.2 IIC三种通信方式

只读主机只读取数据

只写：主机仅发送数据

有读有写

6 GPIO口模拟IIC通信协议

GPIO初始化

作为SCL的GPIO口：时钟线SCL只能由主机（MCU）发出，SCL既有低电平也有高电平，所以这个GPIO口可以配置成推挽输出，另外总线结构本来就有上拉电阻，所以也可以配置成开漏输出。

作为SDA的GPIO口：数据线SDA是双向的，有时候需要从MCU发送，有时候又要输入到MCU里。刚好，在M4里面，当GPIO口配置成输出模式时，输入电路并没有被关闭。但是，当在采集输入信号的时候，IO口的输出电路就很有可能会影响到输入信号的采集，所以必须要配置成开漏输出，在读取输入信号前输出‘1’,目的是让输出电路从IO口中断开。

准备数据要延时，读取数据也要延时

起始条件

void IIC_Start(void){ IIC_SCL=1; IIC_SDA_OUT=1; Systick_Delay_us(1);//延时，起始条件建立时间 IIC_SDA_OUT=0;//产生起始条件 Systick_Delay_us(2);//延时，起始条件的保持时间 IIC_SCL=0;//一个周期的结束}

停止条件

void IIC_Stop(void){ IIC_SCL=1; IIC_SDA_OUT=0; Systick_Delay_us(1);//延时，停止条件建立时间 IIC_SDA_OUT=1;//产生停止条件 Systick_Delay_us(1);//延时，本次停止条件到下一个起始条件的时间间隔}

主机发送应答

void IIC_Send_ACK(u8 ack){ IIC_SCL=0;//主机拉低时钟线 if(ack)//主机根据自己的情况，决定给不给应答从机 { IIC_SDA_OUT=1; } else { IIC_SDA_OUT=0; } Systick_Delay_us(2);//延时，让数据稳定在数据线上 IIC_SCL=1;//主机拉高时钟线,从机在时钟上升沿从总线上采集应答位 Systick_Delay_us(1);//延时，给时间从机采集数据 }

主机读取应答

u8 IIC_Revice_Ack(void){ u8 ack=0; IIC_SCL=0;//主机拉低时钟线 IIC_SDA_OUT=1;//切换成读模式—让输出电路从IO口断开************************* //从机根据自己接受的情况，给不给主机应答信号 Systick_Delay_us(2);//延时，让数据稳定在数据线上 IIC_SCL=1;//主机拉高时钟线 if(IIC_SDA_IN)//主机在时钟上升沿从总线上采集应答信号 { ack=1; } Systick_Delay_us(1);//延时，给时间主机机采集数据 IIC_SCL=0;//完整周期 return ack; }

主机发送一个字节数据给从机

u8 IIC_Send_Byte(u8 data) { u8 i; for(i=0;i<8;i++) { IIC_SCL=0;//主机拉低时钟线 //主机在总线上准备数据 if(data&0x80) IIC_SDA_OUT=1; else IIC_SDA_OUT=0; Systick_Delay_us(2);//延时，让数据稳定在数据线上 IIC_SCL=1;//主机拉高时钟线 //从机在时钟上升沿从总线上采集数据 Systick_Delay_us(1);//延时，给时间从机采集数据 data<<=1;//让次高位成为最高位 } return IIC_Revice_Ack( );}

主机读取从机的一个字节数据

u8 IIC_Revice_Byte(u8 ack){ u8 i; u8 data=0; for(i=0;i<8;i++) { IIC_SCL=0;//主机拉低时钟线 IIC_SDA_OUT=1;//切换成读模式—让输出电路从IO口中断开*************************** //从机在总线上准备数据 Systick_Delay_us(2);//延时，让数据稳定在数据线上 IIC_SCL=1;//主机拉高时钟线 data<<=1;//空出最低位来接受数据 //主机在时钟上升沿从总线上采集数据 if(IIC_SDA_IN) { data |=1; } Systick_Delay_us(1);//延时，给时间主机机采集数据 } IIC_Send_ACK(ack); return data;}

7 IIC驱动温湿度传感器

7.1 SHT20命令

7.2 SHT20测量时序

7.3 示例代码

float Read_SHT20_Data(u8 cmd){ u8 ack; u16 data=0; float DATA; IIC_Start( );//起始信号 ack = IIC_Send_Byte(SHT20_ADDR&0XFE);//发送器件地址+写方向 if(ack)//没有应答 { IIC_Stop( ); return -1; } ack = IIC_Send_Byte(cmd);//发送测量命令 if(ack)//没有应答，等待从机应答 { IIC_Stop( ); return -1; } do { Delay_ms(10);//给时间测量 IIC_Start( ); //开始信号，测量中 ack = IIC_Send_Byte(SHT20_ADDR | 0x01);//发送器件地址+读方向 }while(ack);//没有应答则继续询问，知道有应答，表明测量结束 data |= IIC_Revice_Byte(0) <<8;//高位结果 data |= IIC_Revice_Byte(1) ; //低位结果 IIC_Stop( ); //------数字信号转换成模拟信号 data &=0xFFFC;//清除两位状态位 if(cmdT_MEASURE) { DATA=-46.85+175.72*data/65536.0; } else if(cmdRH_MEASURE) { DATA=-6.0+125.0*data/65536.0; } return DATA;}

/没有应答则继续询问，知道有应答，表明测量结束 data |= IIC_Revice_Byte(0) <<8;//高位结果 data |= IIC_Revice_Byte(1) ; //低位结果 IIC_Stop( ); //------数字信号转换成模拟信号 data &=0xFFFC;//清除两位状态位 if(cmdT_MEASURE) { DATA=-46.85+175.72*data/65536.0; } else if(cmdRH_MEASURE) { DATA=-6.0+125.0*data/65536.0; } return DATA;}