IIC总线学习

IIC总线

IIC协议简要说明：

1.2条双向串行线，一条数据线称为SDA，一条时钟线SCL，双向半双工

2.传输的设备之间只是简单的主从关系，主机可以作为主机发送也可以作为主机接收，任何时候只能由一台主机发送数据

3.最多只是同时挂载128台设备（2^7)，而且能够在通信过程中改变主从身份（spi每次通信前要先设定好主机不变），可以通过仲裁和冲突检测防止总线数据被破坏（后面讲）。

连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制。

4.支持三种速率模式

1）普通模式：100k bit/s

2）快速模式：400k bit/s

3）高速模式：3.4M bit/s

(速率模式切换可以参考datasheet：http://wenku.baidu.com/link?url=LB4zTFPmZTVyBpfBFU8lRP2eP5Fm8G9rU-fbM8ERiUTwwAw5olQhgih79msttFj1Dh89tAW74Y0aMDMXOGgCtMFDMazxhEYblyORwYh4cWC)

stm32上的硬件IIC有IIC的配置，可以设置速率，比如：

I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C；

I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;

5.IIC总线通过上拉电阻（通常取4.7k）接正电源，当总线空闲的时候两根线都是高电平状态，由于是线与的关系，一旦总线上的任意器件输出低电平，总线的信号就会变成低电平，要使总线上的电平恢复高电平，那么必须要所有设备都同时恢复到高电平

6.每个接入总线的设备都有一个唯一地址（后面提）

下面结合stm32+AT24C02来说一下

原则：

IIC总线在进行数据传输的时候，SCL为高电平期间，SDA必须保持稳定，只有当SCL上的信号为低电平时，SDA上的高电平或低电平状态才允许变，正常数据信号都是sda在scl低电平时准备

空闲状态：

SDA和SCL都是在高电平，此时总线上的各个器件输出级场效应管均处于截止状态，释放总线，被各自引脚上的上拉电阻（一般为4.7k）拉高。

传输数据时的数据有效性：在SCL为高电平的时候，SDA信号要保持稳定，SCL为低电平的时候SDA才能改变状态，所以传输数据时SDA要在SCL变为高电平前做好准备

起始和停止状态：

起始信号：SCL为高时，SDA由高到低跳变，准备跳变前高电平持续时间要大于4.7us，在SCL由高电平变低时，SDA的低电平持续时间要大于4us

停止信号：SCL为高时，SDA由低到高跳变，在SCL由低电平变高时，SDA的低电平持续时间要大于4us，跳变后高电平持续时间要大于4.7us

在起始和停止的时候都要遵守前面提到的原则，

//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();     //sda线输出
    IIC_SDA=1;           
    IIC_SCL=1;
    delay_us(5);
     IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
    delay_us(5);
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}     
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();//sda线输出
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
     delay_us(5);
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    delay_us(5);                                  
}

应答状态和非应答状态：

主机发送完8bit数据后会等待从机的ack回复，就是在第9个位，此时从机应答需要的时钟还是主机提供，如果从机发送ack，从机上的SDA被拉低，没有ACK回复那么SDA就置高，主机重启或关闭

//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答           
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}

写状态：

流程：

1.主机发起start

2.主机发送从机设备地址（7bit）和write（1bit）操作，等待ack

3.从机发送ack

4.主机发送寄存器地址（8bit），等待ack

5.从机发送ack

6.主机发送数据（8bit），等待ack

7.从机发送ack

8.6和7可以重复，即顺序写多个寄存器

9.主机stop

（ 发送一个位）

//发送一个字节

void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                       
    u8 t;  
    SDA_OUT();        
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {             
        //IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        if((txd&0x80)>>7)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;      
        delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;   
        delay_us(2);
    }    
}

读状态：

对比起写状态，读就比较复杂

流程：

1.主机发送从机设备地址（7bit）和write，等待ack

设备地址1010 A2A1A0 + R/W。控制字节前4位为Philip公司规定的1010，代表串行E2PROM。5-7为存储器片选位。BIT7为1代表下一字节进行读操作，为0代表写

2.从机发送ack

3.主机发送寄存器地址（8bit），等待ack

4.从机发送ack

5.主机发送start

6.主机发送从机设备地址（7bit）和read操作，等待ack

7.从机发送ack

8.从机发送数据（8bit）

9.主机发送ack

10.8和9可以重复，就是顺序读取多个寄存器

11.主机stop

u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
    unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        IIC_SCL=0;
        delay_us(2);
        IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;  
        delay_us(1);
    }                    
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK  
    return receive;
}

AT24C02接线：

这里挂载两个AT24C02，可以通过发送不同的地址操作不同芯片

WP接地或悬空：可读可写   接VCC：只可读

AT24C02的芯片地址如下图，1010为固定，A0，A1，A2正好与芯片的1，2，3引角对应，为当前电路中的地址选择线，三根线可选8个芯片同时连接在电路中，当要与哪个芯片通信时传送相应的地址即可与该芯片建立连接,设置不同的芯片地址可以将A0~A2接高低电平确定，与前面的1010形成7为编码，即为该芯片

AT24C02的存储容量为2Kb，内容分成32页，每页8B，共256B

AC24Cxx其他容量芯片：

由于24CXX的数据宽度是8位，所以当容量大于256字节时，24CXX需要分成不同的地址空间，由P2、P1、P0来决定当前访问的地址空间。例如，AT24C04的数据空间由P0位决定，当P0为“0”时，将对AT24C04的0~255空间的数据进行操作；当P0为“1”时，将对AT24C04的256~511空间的数据进行操作。

还要注意按页书写的问题，AT24C01/02每页8字节，AT24C04以上是每页16字节，按页写入时，如果超过每页字节数，超过部分会转到该页起始地址写入，覆盖原来的数据。

时钟同步：

由于总线是线与方式，只要一个设备的SCL为低电平，总线就表现为低电平，当所有设备的SCL为高电平，总线才为高电平

仲裁：

SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的。节点SDA在发送1位数据后，比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致。是，继续发送；否则，退出竞争。SDA线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线

DATA1和DATA2分别是主节点向总线所发送的数据信号，SDA为总线上所呈现的数据信号，SCL是总线上所呈现的时钟信号

过程：

当主节点1、2同时发送起始信号时，两个主节点都发送了高电平信号。这时总线上呈现的信号为高电平，两个主节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。第2个时钟周期，2个主节点都发送低电平信号，在总线上呈现的信号为低电平，仍继续发送数据。在第3个时钟周期，主节点1发送高电平信号，而主节点2发送低电平信号。根据总线的线“与”的逻辑功能，总线上的信号为低电平，这时主节点1检测到总线上的数据和自己所发送的数据不一样，就断开数据的输出级，转为从机接收状态。这样主节点2就赢得了总线，而且数据没有丢失，即总线的数据与主节点2所发送的数据一样，而主节点1在转为从节点后继续接收数据，同样也没有丢掉SDA线上的数据。因此在仲裁过程中数据没有丢失。

SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的

24cxx.c:

#define AT24C02        255

#define EE_TYPE AT24C02

//初始化IIC接口
void AT24CXX_Init(void)
{
    IIC_Init();
}
//在AT24CXX指定地址读出一个数据
//ReadAddr:开始读数的地址 
//返回值  :读到的数据
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{                 
    u8 temp=0;                                                                                  
    IIC_Start(); 
    if(EE_TYPE>AT24C16)
    {
        IIC_Send_Byte(0XA0);       //发送写命令
        IIC_Wait_Ack();
        IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//发送高地址
        IIC_Wait_Ack();        
    }else IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1));   //发送器件地址0XA0,写数据

IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(ReadAddr%256);   //发送低地址
    IIC_Wait_Ack();       
    IIC_Start();             
    IIC_Send_Byte(0XA1);           //进入接收模式              
    IIC_Wait_Ack();    
    temp=IIC_Read_Byte(0);          
    IIC_Stop();//产生一个停止条件       
    return temp;
}
//在AT24CXX指定地址写入一个数据
//WriteAddr  :写入数据的目的地址   
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{                                                                                                 
    IIC_Start(); 
    if(EE_TYPE>AT24C16)
    {
        IIC_Send_Byte(0XA0);        //发送写命令
        IIC_Wait_Ack();
        IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址
     }else
    {
        IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1));   //发送器件地址0XA0,写数据
    }    
    IIC_Wait_Ack();      
    IIC_Send_Byte(WriteAddr%256);   //发送低地址
    IIC_Wait_Ack();                                                          
    IIC_Send_Byte(DataToWrite);     //发送字节                              
    IIC_Wait_Ack();                    
    IIC_Stop();//产生一个停止条件
    delay_ms(10);    
}
//在AT24CXX里面的指定地址开始写入长度为Len的数据
//该函数用于写入16bit或者32bit的数据.
//WriteAddr  :开始写入的地址 
//DataToWrite:数据数组首地址
//Len        :要写入数据的长度2,4
void AT24CXX_WriteLenByte(u16 WriteAddr,u32 DataToWrite,u8 Len)
{     
    u8 t;
    for(t=0;t<Len;t++)
    {
        AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);
    }                                                   
}

//在AT24CXX里面的指定地址开始读出长度为Len的数据
//该函数用于读出16bit或者32bit的数据.
//ReadAddr   :开始读出的地址
//返回值     :数据
//Len        :要读出数据的长度2,4
u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 ReadAddr,u8 Len)
{     
    u8 t;
    u32 temp=0;
    for(t=0;t<Len;t++)
    {
        temp<<=8;
        temp+=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1);                        
    }
    return temp;                                                   
}
//检查AT24CXX是否正常
//这里用了24XX的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他24C系列,这个地址要修改
//返回1:检测失败
//返回0:检测成功
u8 AT24CXX_Check(void)
{
    u8 temp;
    temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX              
    if(temp==0X55)return 0;          
    else//排除第一次初始化的情况
    {
        AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
        temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);     
        if(temp==0X55)return 0;
    }
    return 1;                                             
}

//在AT24CXX里面的指定地址开始读出指定个数的数据
//ReadAddr :开始读出的地址 对24c02为0~255
//pBuffer  :数据数组首地址
//NumToRead:要读出数据的个数
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead)
{
    while(NumToRead)
    {
        *pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);   
        NumToRead--;
    }
} 
//在AT24CXX里面的指定地址开始写入指定个数的数据
//WriteAddr :开始写入的地址 对24c02为0~255
//pBuffer   :数据数组首地址
//NumToWrite:要写入数据的个数
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{
    while(NumToWrite--)
    {
        AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
        WriteAddr++;
        pBuffer++;
    }
}

参考：

https://www.cnblogs.com/BitArt/archive/2013/06/01/3112042.html（以c语言理解IIC，很详细）

http://www.51hei.com/stm32/3598.html （stm32与AT24C02的I2C通信总结（模拟时序）

http://blog.csdn.net/chuckfql/article/details/19834137（I2C总线信号时序总结）

http://blog.chinaunix.net/uid-24148050-id-120532.html （I2C接口）

http://blog.csdn.net/u010027547/article/details/47779975（

I2C总线的仲裁机制）

http://blog.csdn.net/dndxhej/article/details/7761172（

I2C总线的7bit从机地址

）

http://blog.csdn.net/dndxhej/article/details/7757268（

I2C总线的字节格式、时钟同步和仲裁

）

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