I2C

I2C的基本知识

一、I2C 基本定义与开发背景

1. 全称与缩写
   • 英文全称：Inter-Integrated Circuit Bus，简称 I2C 或 I²C（读作 “I squared C”）。
   • 由 飞利浦公司（Philips） 开发，是一种 通用同步半双工串行通信协议，用于单片机与外部模块通信。
2. 应用场景
   • 支持模块：
     • MPU6050（陀螺仪加速度传感器）；
     • OLED 模块（显示模块）；
     • AT24C02（EEPROM 存储器）；
     • DS3231（实时时钟模块）等。
   • 优势：跨设备兼容性强，学会一种模块操作后，其他 I2C 设备易于上手。

二、I2C 硬件引脚与电路特性

1. 标志性引脚
   • SCL（Serial Clock）：串行时钟线，只能由主机控制，同步数据传输时序。
   • SDA（Serial Data）：串行数据线，半双工模式，主机与从机分时控制。
2. 电路连接特点
   • 总线结构：所有设备的 SCL、SDA 线分别并联，通过 4.7kΩ 上拉电阻 默认拉高至逻辑高电平。
   • 开漏输出模式
     • 引脚配置为开漏输出（低电压输出0，高电压显示高阻态由于上拉电阻，显示弱上拉），配合上拉电阻实现 “线与” 特性（任意设备拉低总线为低电平，所有设备释放时总线为高电平）。
     • 优势：避免短路，支持软件模拟时序（如 51 单片机无硬件 I2C 时可用 GPIO 模拟）。

三、I2C 协议核心特点

1. 同步半双工通信
   • 同步时序：通过 SCL 协调传输，主机可随时暂停（时钟线暂停即同步暂停），适合低速场景。
   • 半双工：SDA 同一时刻仅单向传输，分时复用实现双向通信，节省引脚。
2. 数据应答机制
   • 每传输一个字节后，接收方返回应答位（ACK）
     • 0（ACK）：接收成功，继续传输；
     • 1（NACK）：接收失败或结束，释放总线。
3. 多设备挂载能力
   • 一组多从模型（课程重点）
     • 单主机主导总线，多从机被动响应；
     • 主机通过 7 位 / 10 位设备地址 寻址，从机仅在被点名时激活（类似 “老师点名 - 学生应答”）。
   • 多主多从模型（进阶）：支持多主机竞争总线，通过仲裁解决冲突，协议复杂，课程未深入。

四、I2C 设备寻址与地址结构

1. 设备地址（从机地址）
   • 7 位地址模式（常用）
     • 高 4-6 位由厂商固定（如 MPU6050 为1101000），低 1-3 位可通过硬件引脚（如 AD0、A0）配置。
     • 示例：MPU6050 的 AD0 接地时地址为0x68（1101000），接高电平时为0x69（1101001）。
   • 10 位地址模式：支持更多设备，应用较少。
2. 读写标志位
   • 设备地址后紧跟1 位读写标志位
     • 0：主机写入数据；
     • 1：主机读取数据。
   • 组合为 8 位寻址字节（如0xD0表示0x68+ 写操作，0xD1表示0x68+ 读操作）。

五、I2C 与其他通信协议对比

特性	I2C	串口（UART）
通信模式	同步半双工	异步全双工
引脚数量	2 根（SCL、SDA）	2 根（TX、RX）
时钟依赖	需时钟线（SCL）	无需时钟线，依赖波特率
多设备支持	支持（地址寻址）	不支持（需硬件切换从机）
软件模拟难度	低（同步时序灵活）	高（异步时序严格依赖 timing）
典型应用	短距离、低速、多设备场景	点对点、中高速场景

六、I2C 的优势与应用价值

1. 硬件简单：仅需两根信号线，节省单片机引脚。
2. 软件灵活：可通过硬件外设或软件模拟（如 GPIO 翻转）实现。
3. 标准化协议：广泛兼容传感器、存储器等模块，降低开发成本。
4. 适合下沉市场：对硬件要求低，可在低端单片机（如 51、STM32F103）运行。

总结

I2C 总线通过 双线制、同步时序、应答机制和多设备寻址，成为嵌入式系统常用通信协议。其核心优势为 简洁性、灵活性和跨设备兼容性，尤其适合单片机与传感器的低速通信。

硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

主机与从机的权利

• 主机：控制 SCL（串行时钟线） 的时钟信号，在总线空闲时还可控制 SDA（串行数据线）。

• 从机：仅能被动读取 SCL 信号，仅在特定情况下（如数据应答时）可短暂获取 SDA 的控制权，其余时间为接收状态。

• 总线连接：所有设备的 SCL 引脚 相互连接，所有设备的 SDA 引脚 相互连接，形成共享的总线结构。

硬件接线要求

• 上拉电阻：SDA 和 SCL 需通过 4.7kΩ 左右的上拉电阻 连接至电源（如 +VDD），确保总线在空闲状态下保持高电平。
• 引脚模式：所有设备的 SCL 和 SDA 引脚需配置为 开漏输出模式，以实现 “线与” 特性（任意设备拉低总线为低电平，所有设备释放时总线为高电平）。

开漏输出模式的优势

1. 避免电源短路：当多个设备同时操作总线时，开漏输出可防止不同设备间的电源冲突，保护电路安全。
2. 减少引脚模式切换：无需频繁在输入与输出模式间切换，简化硬件设计与软件控制。
3. 支持多主机模式：在多主机竞争总线时，开漏输出便于通过 “线与” 特性实现 时钟同步 和 总线仲裁，确保通信有序进行。

I2C时序基本单元

时序单元	详细描述
起始条件	- 在 SCL 保持高电平期间，SDA 信号由高电平向低电平跳变。 - 标志着 I2C 通信的开始，仅由主机发起。
终止条件	- 在 SCL 保持高电平期间，SDA 信号由低电平向高电平跳变。 - 标志着 I2C 通信的结束，仅由主机发起。
发送一个字节	- 主机在 SCL 低电平期间，将数据位依次放置到 SDA 线上（高位在前）。 - SCL 高电平时，从机读取 SDA 数据，每 8 个时钟周期完成一个字节的发送。
接收一个字节	- 从机在 SCL 低电平期间，将数据位依次放置到 SDA 线上（高位在前）。 - SCL 高电平时，主机读取 SDA 数据，每 8 个时钟周期完成一个字节的接收。
发送应答	- 主机接收完一个字节后，在后续时钟周期中，若拉低 SDA 线，表示发送应答信号（ACK，确认接收成功）； - 若保持 SDA 为高电平，则表示发送非应答信号（NACK）。
接收应答	- 主机发送完一个字节后，释放 SDA 控制权。 - 在 SCL 高电平期间，若从机拉低 SDA，主机检测到低电平，即为接收到应答信号（ACK），表示从机成功接收数据； - 若 SDA 保持高电平，主机检测到高电平，即为接收到非应答信号（NACK），表示从机接收数据失败或通信结束。

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）

• 步骤
  1. 主机发送 起始条件。
  2. 主机发送 从机设备地址（写标志，即地址 + 0），等待从机 应答（ACK）。
  3. 主机发送 目标寄存器地址，等待从机 应答（ACK）。
  4. 主机发送 数据，等待从机 应答（ACK）。
  5. 主机发送 终止条件，结束通信。
• 作用：向从机指定寄存器写入数据。

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（Data）

• 步骤
  1. 主机发送 起始条件。
  2. 主机发送 从机设备地址（读标志，即地址 + 1），等待从机 应答（ACK）。
  3. 从机发送 当前指针指向的寄存器数据，主机接收后发送 非应答（NACK）（告知从机停止发送）。
  4. 主机发送 终止条件，结束通信。
• 作用：读取从机当前指针指向寄存器的数据。

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（Data）

• 步骤
  1. 先执行 指定地址写的前两步：发送起始条件 → 发送设备地址（写标志） → 等待应答。
  2. 发送 目标寄存器地址，等待从机应答（ACK）。
  3. 主机再次发送 起始条件（重复起始）。
  4. 发送 设备地址（读标志），等待从机应答（ACK）。
  5. 从机发送 指定寄存器数据，主机接收后发送 非应答（NACK）。
  6. 主机发送 终止条件，结束通信。
• 作用：先指定寄存器地址，再读取该寄存器的数据，是 “写 + 读” 的组合操作。

自动递增规则

1. 适用场景

   • 当通过 当前地址读 或 指定地址写 操作访问寄存器后，地址指针会自动递增 1，指向下一个寄存器地址。
   • 示例
     • 若向地址 0x19 写入数据，操作完成后指针自动变为 0x1A；
     • 若从当前指针指向的 0x1A 读取数据，操作完成后指针自动变为 0x1B。

2. 原理

   • I2C 设备内部维护一个 当前地址指针，用于记录最后一次访问的寄存器位置。
   • 每次读写操作（无论字节数多少）完成后，指针会根据数据长度自动递增（如读写 1 字节则递增 1，读写 N 字节则递增 N）。

3. 关键说明

   • 指定地址读

     操作分为两步：

     1. 先通过 “写” 操作指定目标地址（此时指针指向该地址，不递增）；
     2. 再通过 “读” 操作获取数据，此时指针在读取后 自动递增。

   • 若需要连续访问多个寄存器（如批量读写），可利用此特性避免重复指定地址，提高效率。

软件模拟I2C的基本时序（代码实现）

//MyI2C

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

//初始化GPio口，因为实现的是软件I2C，手动翻转电平模拟I2C，所以可以随便使用GPIO口
void MyI2C_Init(void)
{
	//初始化GPio
	//开启gpio时钟信号
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	//初始化gpioinit参数中的结构体
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//将gpio口设置为开漏输出，因为有线与的性质，开漏输出不只是可以输出，
	//还可以输入，输入数据1读取输入数据寄存器就可以了
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	//初始化两个端口
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	
	//初始化完成将GPIO口，置一，因为I2c的初始条件以高电平为基础
	 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11);
}
void MyI2C_W_SCL(uint8_t Bitvalue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction) Bitvalue);
	//因为I2c有时序的要求最好延时10us
	Delay_us(10);
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t Bitvalue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction) Bitvalue);
	//因为I2c有时序的要求最好延时10us
	Delay_us(10);
}

//还要编写读GPIO的函数
uint8_t MyI2C_R_SCL(void)
{
	uint8_t Bitvalue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_10);
	//因为I2c有时序的要求最好延时10us
	Delay_us(10);
	return Bitvalue;
}
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t Bitvalue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
	//因为I2c有时序的要求最好延时10us
	Delay_us(10);
	return Bitvalue;
}

//初始化I2C的基本单元
void MyI2C_Start(void)
{
	//参数设置比较麻烦 可以使用 宏定义 无参宏 和 有参宏，传参数然后对宏中的参数进行定义，还可以使用对函数进行封装的方式
	//这里使用封装函数的方法
	
	//开始配置起始条件
	//起始条件先将 SDA和SCl都 释放 就是都输出高电平
	//为了以防万一，重复起始条件显示为SDA先释放，所以想要起始条件兼容重复起始条件，先释放SDA
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	//起始条件为当SCL处于高电平时，SDA拉低 ,SCL也随后拉低
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
	
}
void MyI2C_End(void)
{
	//终止条件为在SCL处于高电平，SDA从低电平转换为高电平，
	//因为只有在低电平时SDA才可以变化，所以可以理解为在玩木头人时，别人在数完123（高电平）时，有人动了，说明不玩了
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	//除了开始条件SCL以高电平结束其他都是低电平结束，方便拼接
	//初始条件SCL为低电平，可以变换数据
	//变换数据为高位先行
	for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
	{
		//SCL低位放数据
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
		//SCL高位读数据
		MyI2C_W_SCL(1);
		//释放准备下次读数据
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}
uint8_t MyI2C_ReadByte(void)
{
	uint8_t byte = 0x00;
	//此时SCL为低电平，主机释放SDA，从机就可以放置数据，然后SCL高电平主机读取数据
	MyI2C_W_SDA(1);
	//主机读取数据从高位开始读取
	for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
	{
		MyI2C_W_SCL(1);
		if(MyI2C_R_SDA() == 1)
		{
			byte = byte | (0x80>>i);
		}
		//不能把拉低函数放在if中，如果不是1，就不能及时的拉低，会影响时序
		//释放从机可以再次放置数据
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return byte;
}

//发送应答，与发送一个字节的区别就是发一位
void MyI2C_SendAck(uint8_t BitAck)
{
	//SCL低位放数据
	MyI2C_W_SDA(BitAck);
	//SCL高位读数据
	MyI2C_W_SCL(1);
	//释放准备下次读数据
	MyI2C_W_SCL(0);
}
uint8_t MyI2C_ReadAck(void)
{
	uint8_t Ackbit;
	//此时SCL为低电平，主机释放SDA，从机就可以放置数据，然后SCL高电平主机读取数据
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	Ackbit = MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);
	return Ackbit;
}