IIC协议解析

（1）概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，该总线由NXP（原PHILIPS）公司设计，多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。经常I2C和SPI接口被认为指定是一种硬件设备，但其实这样的说法是不尽准确的，严格的说他们都是人们所定义的软硬结合体，分为物理层（四线结构）和协议层（主机，从机，时钟极性，时钟相位）。I2C，SPI的区别不仅在与物理层，I2C比SPI有着一套更为复杂的协议层定义。下面来分别说明一下I2C的物理层和协议层。

（2）I2C的物理层

a. 只要求两条总线线路，一条是串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。（IIC是半双工，而不是全双工）。

b. 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信，主机/从机角色和地址可配置，主机可以作为主机发送器和主机接收器。

c. IIC是真正的多主机总线，（而这个SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏。

d. 传输速率在标准模式下可以达到100kb/s，快速模式下可以达到400kb/s。

e. 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。

一个典型的IIC接口如下图（1）所示

图（1）

（3）IIC的协议层

IIC的协议层才是掌握IIC的关键。现在简单概括如下：

a.数据的有效性

在时钟的高电平周期内，SDA线上的数据必须保持稳定，数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。如图（2）所示：

                                  图（2）

b.起始和结束条件

起始条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由高到低的跳变被定义为起始条件；

结束条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由低到高的跳变被定义为停止条件；

要注意起始和终止信号都是由主机发出的，连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。总线在起始条件之后，视为忙状态，在停止条件之后被视为空闲状态，对起始条件和结束条件的描述如下图（3）所示。

图（3）

c.应答

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，如图（4）所示。

图（4）

d.数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用"0"表示主机发送数据（T），"1"表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

{这里小编在驱动MPU6050模块的时候，就犯过这样的错误，它写的MPU6050从机地址是0x68,因为发送从机地址的时候，要加一位读写方向位，因为刚开始应该是向这个MPU6050里写从机里某个寄存器的地址，所以应该是7位地址   0x68(1101000)+二进制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向该IIC设备里写东西，然后再紧接着写入IIC设备里的寄存器地址，而我直接写入了0x68,导致出错}。

 

在总线的一次数据传输过程中，可以有以下几种组合方式：

[1]  主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。

A表示应答(低电平)， A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。

 

[2]主机在第一个字节后，立即从从机读数据:

 

[3]在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相：

 

 

一般情况下，[3]是比较常见的，比如MPU6050模块，

发送起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+0(表示写)，

等待从机应答

发送一个字节的MPU6050加速度存储寄存器地址，

等待从机应答

再发送一次起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+1（表示读）

等待从机应答

读取MPU6050传感器数据

主机非应答

 

e. IIC信号的模拟

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。即使是含有IIC硬件的单片机（如stm32 103系列）也有一定的缺陷，所以一般也会模拟IIC的时序。现将具体时间截图如下

 

具体的程序代码如下：

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

//产生起始信号 void I2C_Start(void) {     I2C_SDA_OUT();//配置一下引脚,引脚设置为输出         I2C_SDA_H;//把数据线拉高     I2C_SCL_H;//把时钟线拉高     微秒,要求大于4.7微秒     I2C_SDA_L;  //拉低，产生下降沿     微秒     I2C_SCL_L;//最后一定要把这个时钟线拉低，因为只有时钟线拉低的时候才允许数据变化。 } //产生停止信号 void I2C_Stop(void) {    I2C_SDA_OUT();        I2C_SCL_L;    I2C_SDA_L;    I2C_SCL_H;    delay_us(6);    I2C_SDA_H;    delay_us(6); } //主机产生应答信号ACK void I2C_Ack(void) {    I2C_SCL_L;    I2C_SDA_OUT();    I2C_SDA_L;    delay_us(2);    I2C_SCL_H;    delay_us(5);    I2C_SCL_L; }         //主机不产生应答信号NACK void I2C_NAck(void) {    I2C_SCL_L;    I2C_SDA_OUT();    I2C_SDA_H;    delay_us(2);    I2C_SCL_H;    delay_us(5);    I2C_SCL_L; } //等待从机应答信号，我们只负责主机应答信号的产生，从机应答信号 //我们不控制。 //返回值：1 接收应答失败 //  0 接收应答成功 u8 I2C_Wait_Ack(void) {     u8 tempTime=0;         I2C_SDA_IN(); //配置为上拉输入。     I2C_SDA_H;  //主机释放数据总线，等待从机产生应答信号     delay_us(1);     I2C_SCL_H;     delay_us(1);     //等待从机对数据总线的操作。低电平代表应答     while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_I2C,I2C_SDA))     {         tempTime++;         //这个属于软件延时，不一定准确。         if(tempTime>250) //如果时间超时，没有应答就停止。     {         I2C_Stop();         return 1;  //没有响应的话返回1.     }  }     I2C_SCL_L;     return 0; //如果有响应的话就返回0. }

　　
 

针对于不同的IIC设备，IIC协议可能会有一定的区别，有的地址需要左移一位，把最低位腾出来做读写位。