一、IIC总线原理

IIC是一种同步半双工串行（MSB）高位先行通信总线，由飞利浦公司开发，广泛用于短距离低速通信（如传感器、EEPROM、OLED 等外设）。

1.物理层

两根信号线：SDA数据线和SCL时钟线。IIC的接线方式SCL接SCL，SDA接SDA，IIC总线上必须外接两个上拉电阻（通常 4.7kΩ），用于在总线空闲时将总线拉高，实现 "线与" 逻辑（多主设备低电平优先）。IO需要设置为开漏输出。
时钟线的作用：用于控制数据线上的数据的有效性。时钟线为低电平时，数据无效。时钟线为高电平时，数据有效。
支持多主多从，通过从设备地址区分通信对象。内置硬件应答（ACK）处理，无需手动控制。
通信速率：主流实用速率是100kHz（标准模式）和 400kHz（快速模式）。

2.协议层

核心信号与操作：起始信号、停止信号、应答信号、非应答信号、等待信号、发送数据、接受数据。

核心信号（起始、停止、重复起始）

起始信号时序：SCL 为高电平时，SDA 从高电平跳变为低电平（高→低）。
停止信号时序：SCL 为高电平时，SDA 从低电平跳变为高电平（低→高）。
重复起始信号时序：与起始信号完全相同（SCL 高时 SDA 高→低），但它出现在一次通信过程中。
重复起始信号作用：主设备在不释放总线的情况下切换通信方向，如从 “写” 切换到 “读”，避免其他主设备抢占总线。

数据传输规则

（1）数据有效性

SCL 为高电平时，SDA 的电平必须稳定为高或者低，此时数据有效；SCL 为低电平时，SDA 可以跳变，准备下一位数据。

（2）应答机制（ACK/NACK）

每传输8位后，接收方必须在第9个时钟周期回应 “应答”，确认数据已接收：
ACK（应答）：接收方拉低 SDA，低电平，表示已正确接收字节。
NACK（非应答）：接收方释放 SDA，高电平（由上拉电阻维持），表示未接收、接收错误或无需继续发送。

（3）一句话总结

高时钟看状态（起始 / 停止 / 应答），低时钟换数据。

主设备与从设备的对话

1.主设备写从设备

向从设备的某个寄存器写入数据

① 主设备发送起始信号（S），启动通信。
② 主设备发送从设备写地址（7 位地址 + 0），等待从设备应答。
③ 从设备地址匹配，回应ACK。
④ 主设备发送寄存器地址（如 0x05），等待从设备应答。
⑤ 从设备回应ACK。
⑥ 主设备发送要写入的数据（如 0xAB），等待从设备应答。
⑦ 从设备回应ACK（表示数据接收成功）。
⑧ 主设备发送停止信号（P），结束通信。

2.主设备读从设备

读取从设备某个寄存器的数据

① 主设备发送起始信号（S），启动通信。
② 主设备发送从设备写地址（先告诉从设备 “要读哪个寄存器”），等待 ACK。
③ 从设备回应ACK。
④ 主设备发送目标寄存器地址（如 0x05），等待 ACK。
⑤ 从设备回应ACK。
⑥ 主设备发送重复起始信号（Sr）（不释放总线，切换到读模式）。
⑦ 主设备发送从设备读地址（7 位地址 + 1），等待 ACK。
⑧ 从设备回应ACK，开始向主设备发送数据。
⑨ 主设备接收数据后，发送NACK（表示 “这是最后一个字节，无需继续发送”）。
⑩ 主设备发送停止信号（P），结束通信。

二、编写代码实战

基于STM32F4标准库、软件模拟I2C总线驱动SHT20温湿度传感器的完整实现，适配了 FreeRTOS 实时操作系统。

1.底层IIC驱动

#include "drv_iic.h"
#include "drv_systick.h"

/*
函数名：iic_init()
函数参数：无
函数功能：初始化软件模拟iic的gpio引脚
函数返回值：无
其他：
*/
void iic_init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;//
	GPIO_InitStruct.GPIO_OType=GPIO_OType_OD;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void sda_in(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void sda_out(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;
	GPIO_InitStruct.GPIO_OType=GPIO_OType_OD;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
void iic_start(void)
{
	SCL_L;
	sda_out();
	SDA_H;	
	SCL_H;
	delay_us(5);
	SDA_L;
	delay_us(5);
	SCL_L;
}
void iic_stop(void)
{
	SCL_L;
	sda_out();
	SDA_L;	
	SCL_H;
	delay_us(5);
	SDA_H;
	delay_us(5);
}
void send_ACK(void)
{
	SCL_L;
	sda_out();
	SDA_L;
	SCL_H;
	delay_us(5);
	SCL_L;
}
void send_NOACK(void)
{
	SCL_L;
	sda_out();
	SDA_H;
	SCL_H;
	delay_us(5);
	SCL_L;
}
int wait_ACK(void)
{
	uint16_t time_out=0;
	SCL_L;
	sda_in();
	SCL_H;
	while(SDA_READ)
	{
		time_out++;
		if(time_out>300)
		{
			iic_stop();
			return NOACK;
		}
	}
	SCL_L;
	return ACK;
}
void send_data(uint8_t data)
{
	uint8_t i=0;
	SCL_L;
	sda_out();
	for(i;i<8;i++)
	{
		if(data & 0x80)
		{
			SDA_H;
		}
		else
		{
			SDA_L;
		}
		SCL_H;
		delay_us(1);
		SCL_L;
		delay_us(1);
		data<<=1;
	}

}
uint8_t read_data(uint8_t ack_flag)
{
	uint8_t r_data=0,i=0;
	SCL_L;
	sda_in();
	for(i;i<8;i++)
	{	
		r_data<<=1;
		SCL_H;
		if(SDA_READ)
		{
			r_data|=0x01;
		}
		delay_us(1);
		SCL_L;
		delay_us(1);
	}
	if(ack_flag==ACK)
	{
		send_ACK();
	}
	else
	{
		send_NOACK();
	}
	SCL_L;
	return r_data;
}

2.SHT20应用驱动

#include "FreeRTOS.h"  
#include "drv_sht20.h"
#include "task.h"   

sht20_val sht20_data;
void sht20_init(void)
{
	iic_init();
}
uint8_t sht20_reset(void)
{
	iic_start();
	send_data(0x80);
	if(wait_ACK() != ACK)
	{
		iic_stop();
		return NOACK;
	}
	send_data(0xfe);
	if(wait_ACK() != ACK)
	{
		iic_stop();
		return NOACK;
	}
	iic_stop();
	return ACK;
}
uint16_t sht20_read(uint8_t cmd)
{
	uint16_t r_data=0;
	uint8_t temp[2];
	iic_start();
	send_data(0x80);//写地址
	if(wait_ACK() != ACK)
	{
		iic_stop();
		return NOACK;
	}
	
	send_data(cmd);
	if(wait_ACK() != ACK)
	{
		iic_stop();
		return NOACK;
	}
	
	iic_start();
	send_data(0x81);//读地址
	if(wait_ACK() != ACK)
	{
		iic_stop();
		return NOACK;
	}
	vTaskDelay(120 / portTICK_PERIOD_MS);
	temp[0] = read_data(ACK);
	temp[1] = read_data(NOACK);
	iic_stop();
	r_data =(temp[0]<<8|temp[1]);
	return r_data;
}
void sht20_getdata(void)
{
	uint16_t tmp=0;
	tmp = sht20_read(0xe5);//选择湿度
	sht20_data.hum	= -6+125*((float)tmp/65536);
	//printf("hum=%.2f\r\n",sht20_data.hum);

	uint16_t temperature_raw = sht20_read(0xe3);
	sht20_data.temperature = -46.85 + 175.72 * ((float)temperature_raw / 65536);
	//printf("Temperature: %.2f\r\n", sht20_data.temperature);

}