当前位置：首页 > news >正文

I2C通信协议（软件I2C和硬件I2C）

news 来源：原创 2024/9/20 3:50:58

相比于之前学的异步全双工且需要两条通信线的串口通信，I2C则为同步半双工，仅需要一条通信线，全双工与半双工区别如下：

	全双工（Full Duplex）	半双工（Half Duplex）
数据传输方式	同时双向传输	交替单向传输
通道数量	两条独立通道（一条发送，一条接收）	一条通道（或交替使用同一条通道）
效率	高（同时发送和接收）	较低（不能同时发送和接收）
延迟	低（无需等待对方发送完毕）	较高（需要等待对方发送完毕）
成本	较高（需要更多硬件支持）	较低（硬件需求较少）
系统复杂度	较高（设计和维护较复杂）	较低（设计和维护较简单）
应用场景	电话通信、视频通话、实时数据传输等	对讲机通信、低功耗无线传感器网络等

I2C通信一共需要四根线：VCC，GND，SDA（数据线），SCL（时钟线）因为有时钟线，I2C通信为同步时序，因此对时间的要求不是那么严格，通常可以很好的用软件进行模拟；

需要用I2C通信的模块一般有：OLED显示屏，MPU6050（陀螺仪），AT24C02（存储器）

在串口通信中，通常为两个设备通过串口点对点的通信，而在I2C通信中，有一条I2C总线，多个设备挂载到总线上，同时进行通信，所以I2C又分为：一主多从，固定多主多从，可变多主多从

一主多从：通信时只有一个主机，而从机可以有多个，主机控制整个通信过程，包括初始化通信，开始通信，发送数据，接收数据，以及终止通信等等，在该过程中，主机就像一个教室里的班主任，而从机就像学生，学生的一切动作都需要听从班主任安排；

固定多主多从：通信时有多个主机（且主机数量以固定，其他从机不可变为主机），多个从机，通信时需要多个主机（只有一个起作用）中的一个跳出来充当主机，若多个主机同时想充当主机时，则需要进行总线仲裁，获胜的设备可以充当主机，在该过程中，多个主机就相当于多位老师一起在讲台上，正所谓一山不容二虎，老师们需要比较之后才能得到上台讲话的机会；

可变多主多从：通信时有多个主机（所有设备都可以充当主机），在通信时需要一个设备跳出来充当主机，在该过程中，所有设备相当于学生开始全坐在，需要发言时举手，然后站起来说话；

当然我们平常在使用stm32时只需要掌握一主多从模式就行了，多主多从模式了解就行

下面是一张一主多从的硬件电路图：

在硬件接线上所有设备SCL都要连一起，SDA同理；

为了避免两个设备同时输出且一个输出高电平，一个输出低电平导致的电源短路，SDA和SCL均要配置成开漏输出模式，SDA和SCL个添加一个上拉电阻（一般为4.7KΩ）此时为弱上拉；

SCL线从始至终都只能由主机控制，而SDA在主机接收数据和接收应答的时候可由从机暂时控制；

I2C时序基本单元：（SDA与SCL默认上拉为高电平）

起始条件：SCL高电平期间，SDA下降沿；

终止条件：SCL高电平期间，SDA上升沿；

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，循环上述过程8次，即可发送一个字节

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA，从机对SDA进行控制）
发送应答:主机在接收完一个字节之后,在下一个时钟发送一位数据,数据0表示应答,数据1表示非应答

接收应答:主机在发送完一个字节之后,在下一个时钟接收一位数据,判断从机是否应答,数据0表示应答,数据1表示非应答(主机在接收之前,需要释放SDA)

从机地址：用于主机确定从机设备的名字，每个从机都具有唯一的地址，从机地址具有7位和10位，通常用7位地址就够了，7位地址比较简单1且应用范围最广，例：MPU6050的地址为1101000，地址中分为可变部分和不可变部分，一般为最后几位，MPU6050的可变地址为最后一位，可以由AD0引脚确定，引脚接低电平，则它的地址为1101000，反之则为1101001，可变部分用于两个相同的模块在一条总线上时区分

I2C时序：

指定地址写：对于指定设备（Slave Address）在指定地址（Reg Address）下写入指定数据Data

时序逻辑：主机首先发送一个起始条件，然后发送一个字节（8位：7位地址加一位读写位（0为写入，1为读出）），之后从机给应答位（0为应答，1为非应答），主机再发送一个字节（此时为要操作的寄存器的地址），从机发送应答位，之后主机再向从机发送要写入的寄存器的数据了，从机产生非应答，最后主机产生停止条件

当前地址读：对于指定设备（Slave Address）在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据

时序逻辑：主机首先发送一个起始条件，然后发送一个字节（地址加读写位），之后从机给应答位，主机接收一个字节，主机产生非应答，最后主机产生停止条件；通过与指定地址写对比，当前地址读缺少了主机发送操作的寄存器的地址，那么主机读取的数据来自从机的哪个寄存器？在从机中所有寄存器被分配到了一个线性区域中，一个单独的指针指向寄存器，这个指针上电默认指向0地址，每写入一个字节或读出一个字节后，该指针自动自增一次；由此可知，那么主机读取的数据就是当前指针指示的寄存器，并且指针自增加一；

例：若先调用一次指定地址写，操作的寄存器地址为0x19，那当前指针的值就变为0x1A了，再调用一次当前地址读，此时读取的数据就是0x1A寄存器中的数据了，并且由于指针自加一，下次再调用当前地址读就是读取0x1B的数据了；

指定地址读：由于当前地址读的应用范围有限，所以有了另一个时序：指定地址读，对于指定设备（Slave Address）在指定地址（Reg Address）下读取从机数据

指定地址读为指定地址写的前半部分刚指定地址还没开始写数据的时候，重新发送一个起始条件，然后执行当前地址读操作

时序逻辑：主机首先发送一个起始条件，然后发送一个字节（地址加读写位），之后从机给应答位，主机再发送一个字节（此时为要读取的寄存器的地址），从机发送应答位，之后重新发送起始条件，因为改变读写操作只能在起始条件的下一个字节的最后一位，然后发送一个字节（地址加读写位），之后主机接收一个字节，主机产生非应答，最后主机产生停止条件

软件I2C工程代码：

I2C初始化：

void MyI2C_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);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);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);
}

写SCL，SDA，读SDA：

void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);Delay_us(10);
}void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);Delay_us(10);
}uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);Delay_us(10);return BitValue;
}

BitAction 为枚举类型，之中的值非0即1

起始条件：

void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SDA(0);MyI2C_W_SCL(0);
}

停止条件：

void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SDA(1);
}

发送一个字节：

void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++){MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SCL(0);}
}

接收一个字节：

uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;MyI2C_W_SDA(1);for (i = 0; i < 8; i ++){MyI2C_W_SCL(1);if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}MyI2C_W_SCL(0);}return Byte;
}

发送应答位：

void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SCL(0);
}

接收应答位：

uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;MyI2C_W_SDA(1);MyI2C_W_SCL(1);AckBit = MyI2C_R_SDA();MyI2C_W_SCL(0);return AckBit;
}

MPU6050利用软件I2C通信：MPU6050从机地址为0xD0，所以将地址宏定义为MPU6050_ADDRESS

MPU6050指定地址写数据：

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{MyI2C_Start();MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);MyI2C_ReceiveAck();MyI2C_SendByte(RegAddress);MyI2C_ReceiveAck();MyI2C_SendByte(Data);MyI2C_ReceiveAck();MyI2C_Stop();
}

MPU6050指定地址读数据：

uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;MyI2C_Start();MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);MyI2C_ReceiveAck();MyI2C_SendByte(RegAddress);MyI2C_ReceiveAck();MyI2C_Start();MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);MyI2C_ReceiveAck();Data = MyI2C_ReceiveByte();MyI2C_SendAck(1);MyI2C_Stop();return Data;
}

MPU6050寄存器宏定义：

#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75

MPU6050初始化：

void MPU6050_Init(void)
{MyI2C_Init();//软件I2C引脚初始化MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//配置电源管理器1（解除睡眠模式）MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);//配置电源管理器2MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//配置采样率分频--十分频（值越小越快）MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);//配置外部同步和数字低通滤波寄存器MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//配置陀螺仪寄存器MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//配置量程寄存器
}

MPU6050接收数据：（在主函数里传六个变量的地址达到返回六个值的目的，还可以将这六个变量打包成一个结构体，在主函数里直接传结构体的地址即可）

void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);*AccX = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);*AccY = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);*AccZ = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);*GyroX = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);*GyroY = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}

在主函数里接收数据：

int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;
MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);

MPU6050读取ID号：

uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}

硬件I2C：

硬件I2C简介：

I2C基本结构：数据的收发由数据寄存器和移位寄存器来控制，并且在移位寄存器中高位先行

硬件I2C工程代码：由于硬件I2C有自己的库函数，所以不需要用户自己再建立I2C模块了，只需初始化对应GPIO口（复用开漏输出）

在软件模拟I2C中，每个时序都是加了延时的阻塞型，而在硬件I2C中，每完成一步，产生相应的标志位，可以通过判断标志位的状态来控制时序的进行，而有的状态需要多个标志位，所以在硬件I2C中将标志位融合成了事件，即通过判断事件是否发生即可知道时序的进行状态，在判断事件的产生时有许多的while死循环，一旦某个环节出错了之后，程序就会卡死，所以检查事件的产生还要加上一个超时判断

MPU6050事件是否产生：

void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{uint32_t Timeout;Timeout = 10000;while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS){Timeout --;if (Timeout == 0){break;}}
}

MPU6050指定地址写数据：

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);I2C_SendData(I2C2, RegAddress);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);I2C_SendData(I2C2, Data);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);
}

MPU6050指定地址读数据：

uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);I2C_SendData(I2C2, RegAddress);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);Data = I2C_ReceiveData(I2C2);I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);return Data;
}

MPU6050初始化：

void MPU6050_Init(void)
{RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;//配置I2C时钟频率I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;//配置I2C时钟占空比I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;//配置I2C应答位使能I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;//从机地址7位还是10位I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;//从机地址I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);
}