STM32之八：IIC通信协议

目录

1. IIC协议简介

1.1 主从模式

1.2 2根通信线

2. IIC协议时序

2.1 起始条件和终止条件

2.2 应答信号

2.3 发送一个字节

2.4 接收一个字节

3. IIC读写操作

3.1 写操作

3.2 读操作

1. IIC协议简介

IIC协议是一个半双工、同步、一主多从、多主多从的串行通用数据总线。该通信模式需要2根线：SCL、SDA，即时钟线和数据线。

1.1 主从模式

IIC协议支持一主多从和多主多从，每个设备都有唯一的地址。

1.2 2根通信线

SDA：数据线，用于传输数据

SCL：时钟线，用于同步数据传输

接线时所有IIC设备的SCL连在一起，SDA连在一起，不同的设备，都是并联接在这两条线上（设备之间“线与”关系），I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。设备的SCL的SDA均要配置成开漏输出模式，SCL和SDA需要各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

这里补充一下，因为有看到过一个主机一个从机的情况下，可以设置为推挽输出模式，但是在一主多从，或者多主多从的情况下，推荐开漏输出，原因请看下文。

为了能理解为什么在IIC协议总线上，IO口模式需要设置为开漏输出模式，而不能使用推挽输出模式，可以看下GPIO口的硬件结构：

看输出驱动器部分，可以看到使用了两个MOS管，分别是P-MOS和N-MOS管，这些是STM32 GPIO输出模式的关键元件。‌在推挽输出模式下，‌P-MOS管和N-MOS管都工作，‌通过控制这些管的开关状态来实现高电平和低电平的输出。‌在开漏输出模式下，‌只有N-MOS管工作，‌用于输出低电平，‌而高电平的输出则需要通过外部上拉电阻实现。

推挽输出模式：

推挽输出结构是由两个MOS收到互补控制的信号控制。推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。推挽输出模式中，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0（低电平），则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出低电平；若控制输出为1（高电平），则P-MOS管导通，N-MOS管关闭，输出高电平。外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时的IO口电平。

优点：驱动能力强，电平切换能力快（根据GPIO的波特率可用作模拟其他协议）。

缺点：多个推挽输出端口相连时，由于通路上阻抗较小电流会从IO的VDD流向另一个IO的GND，会发生短路进而对端口造成伤害。（这里就解释了为什么IIC不能使用推挽输出模式，如果多个从机都接到SDA线上，一个机器发送数据0，另一个机器发送数据1，则可能会发生短路进而毁坏IIC器件）。

开漏输出模式：

开漏输出时只有N-MOS管工作，只能输出低电平。当其输出高电平时没有驱动能力（电压会被外部阻抗拉低），需要借助外部上拉电阻完成对外驱动（通断N-MOS实现对路径上的电压控制），驱动能力取决于上拉电阻阻值。

如果我们控制输出为0（低电平），则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出低电平；若控制输出为1（高电平），则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定。如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态。

半双工：一根数据线，这根数据线既可以发送数据，也可以接收数据，但是不能同时发送和接收，所以叫做半双工通信。

代码如下：注意开漏输出模式

// PB11-->SDA
// PB10-->CLKvoid MyI2C_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//开启GPIOB的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出/*设置默认电平*/GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默认为高电平（释放总线状态）
}

2. IIC协议时序

IIC 协议基本形式：

可以看到，IIC时序在进行一次传输的时候，会有开始信号和停止信号，期间发送1byte数据，每一byte数据之后都会有一个ACK信号，下面依次讲解这些信号时序。

2.1 起始条件和终止条件

IIC需要起始信号和终止信号，SCL在高电平期间，SDA从高电平跳转到低电平表示开始信号；SDA从低电平跳转高电平表示结束信号。

/*** 函    数：I2C起始* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}
/*** 函    数：I2C终止* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}//---------------
/*** 函    数：I2C写SCL引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCL的电平，范围0~1* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCL为低电平，当BitValue为1时，需要置SCL为高电平*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}/*** 函    数：I2C写SDA引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SDA的电平，范围0~0xFF* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SDA为低电平，当BitValue非0时，需要置SDA为高电平*/
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}

2.2 应答信号

下面展示一个传输数据时候发送应答信号（ACK）和非应答信号（NACK）的示意 ：

/*** 函    数：I2C发送应答位* 参    数：Byte 要发送的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}/*** 函    数：I2C接收应答位* 参    数：无* 返 回 值：接收到的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答*/
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;							//定义应答位变量MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAAckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块return AckBit;							//返回定义应答位变量
}

2.3 发送一个字节

注意，当时钟信号SCL为高电平的时候，数据线SDA上的信号需要保持不变。因为在SCL高电平期间发生SDA的跳变会误认为产生了起始或停止信号，从而导致数据数据传输错误。

/*** 函    数：I2C发送一个字节* 参    数：Byte 要发送的一个字节数据，范围：0x00~0xFF* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位{MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDAMyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据}
}

2.4 接收一个字节

/*** 函    数：I2C接收一个字节* 参    数：无* 返 回 值：接收到的一个字节数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位{MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAif (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA}return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}/*** 函    数：I2C读SDA引脚电平* 参    数：无* 返 回 值：协议层需要得到的当前SDA的电平，范围0~1* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前SDA为低电平时，返回0，当前SDA为高电平时，返回1*/
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求return BitValue;											//返回SDA电平
}

如果IIC总线上传输1Byte数据0X49（01001001）,其时序图如下：

3. IIC读写操作

3.1 写操作

使用IIC进行数据传输时，写操作流程如下：

1. 主机确定从机地址。IIC总线上每个设备都有唯一的地址码，用于标识和寻址。主机寻址过程是在起始信号之后进行的，起始信号之后，主机会发送7bit的从机地址+1bit的读写位（0表示写操作，1表示读操作），这也是为什么有时候看到一个器件有读地址和写地址的原因。这种寻址方式理论上最多能挂载127个从设备。目前为了制造更多的可使用从机地址数量，IIC有标准模式、快速模式和高速模式，支持10bit寻址，允许1024个从机地址。

2. 主机发送开始信号，表示开始IIC传输

3. 进行寻址，即发送从机设备地址+1bit的读写位，写操作则读写位0，例如一个从机设备地址为0x13，则发送的信号为：00011010。

4.从机回复应答信号ACK。IIC总线的从机接受到主机的信号后，会将该地址和自己的地址码进行匹配，如果匹配成功后，则相应从机会回复给主机一个应答信号ACK。

5.主机接受到应答信号，发送数据，从机应答。

6.主机发送结束信号，IIC传输结束。

整个时序图如下所示：

3.2 读操作

读操作和写操作类似，主要更改的点在于：

 1. 寻址时读写标志位为1

2. 从机应答后会主动向主机发送其所要读取的数据，主机接受到信号后会向从机发送一个应答信号

3. 当主机想要结束读操作时，主机会回复一下非应答信号，生成停止信号来结束数据读取操作。

整个时序图如下：

参考：

        1. 江协科技STM32

        2. IIC协议 (dreamsourcelab.cn)