2021年10月14日 | STM32第九章-IIC通讯应用

  说到IIC(通常也叫I2C，其实都是一样的)通讯，是一种最简单的通讯协议。在学习STM32时第一个接触的就是串口USART通讯协议，接下来就是IIC通讯协议了还有的就是SPI协议，SPI我们下一章再说，这一章就说说IIC吧。很多模块都用到过IIC通讯，最常见的就是4针的0.96寸OLED显示屏，当然啦在学习STM32是我们一般最先接触到就是通过IIC来与EEPROM进行通讯，但是本章我们只讲协议本身。

一、 IIC 简介

  IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

  I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

  开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

  结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

  应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。

  IIC使用 SDA信号线来传输数据，使用 SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在 SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候 SDA 表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

  如果我们直接控制STM32的两个GPIO 引脚，分别用作 SCL和SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制 LED 灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取 SDA电平)，就可以实现 IIC通讯。同样假如我们按照 USART的要求去控制引脚，也能实现 USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它，不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。

  由于直接控制 GPIO 引脚电平产生通讯时序时，需要由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。相对地，还有“硬件协议”方式，STM32 的 IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了 CPU 的工作，且使软件设计更加简单。

二、通信特征：串行、同步、非差分、低速率

I2C属于串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输。

同步通信就是通信双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线传输A自己的时钟给B，B工作在A传输的时钟下。所以同步通信的显著特征就是：通信线中有CLK。

非差分。因为I2C通信速率不高，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信。

低速率。I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信，而且用来传输的数据量不大，所以本身通信速率很低（一般几百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具体在编程的时候要看自己所使用的设备允许的I2C通信最高速率，不能超过这个速率）

突出特征 1：主设备+从设备(必须明确)

I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接受主设备的通信，并及时响应。

谁是主设备、谁是从设备是由通信双方来定的(I2C协议并无规定)，一般来说一个芯片可以只能做主设备、也可以只能做从设备、也可以既能当主设备又能当从设备(软件配置)。

有很多人认为在通信时单片机是主设备，器件是从设备，这是不严谨的。STM32单片机也可以当从设备，只是你没见到过罢了。

突出特征 2：可以多个设备挂在一条总线上(从设备地址)

I2C 通信可以一对一(1个主设备对1个从设备)，也可以一对多(1个主设备对多个从设备)。

主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪个从设备通信。注意：同一时间内，I2C 的总线上只能传输一对设备的通信信息，所以同一时间只能有一个从设备和主设备通信，其他从设备处于“冬眠”状态，不能出来捣乱，否则通信就乱套了。

每一个 I2C 从设备在通信中都有一个 I2C 从设备地址，这个设备地址是从设备本身固有的属性，然后通信时主设备需要知道自己将要通信的那个从设备的地址，然后在通信中通过地址来甄别是不是自己要找的那个从设备。(这个地址是一个电路板上唯一的，不是全球唯一的)

I2C 的总线空闲状态、起始位、结束位

I2C 总线上有 1 个主设备，n(n>=1)个从设备。I2C 总线上有 2 种状态；空闲态（所有从设备都未和主设备通信，此时总线空闲）和忙态（其中一个从设备在和主设备通信，此时总线被这一对占用，其他从设备必须歇着）。

整个通信分为一个周期一个周期的，两个相邻的通信周期是空闲态。每一个通信周期由一个起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通信数据。

起始位并不是一个时间点，起始位是一个时间段，在这段时间内总线状态变化情况是：SCL 线维持高电平，同时 SDA 线发生一个从高到低的下降沿。

与起始位相似，结束位也是一个时间段。在这段时间内总线状态变化情况是：SCL 线维持高电平，同时 SDA 线发生一个从低到高的上升沿。

如何牢记IIC通信的起始信号和结束信号的时序？

  我们把IIC通信看做一条游荡在水中小船，把船面看成SDA数据线，水面波澜起伏看成IIC通信的时钟SCK，没有水船就不能走，同理没有时钟线就没有通信。因为SCL 维持高电平，SDA 线发生一个从高到低的下降沿起始信号就开始了，所以我们可以把船头当做起始信号(想象一下，在湖面上一条弯弯的小船在顺水而行)。同时SCL 维持高电平，SDA 线发生一个从低到高的上升沿就是停止信号，故我们可以把船尾看做停止信号(小船的船尾是不是与水面夹角为45°)。因此如果你记不住IIC通信的时序，请想象一下，你坐在一条小船上，顺水而下坐在船上拿着电脑写着IIC驱动程序就可以了。

I2C 数据传输格式(数据位&ACK)

每一个通信周期的发起和结束都是由主设备来做的，从设备只有被动的响应主设备，没法自己自发的去做任何事情。

主设备在每个通信周期会先发8位的从设备地址（其实8位中只有7位是从设备地址，还有1位表示主设备下面要写入还是读出)到总线(主设备是以广播的形式发送的，只要是总线上的所有从设备其实都能收到这个信息)。然后总线上的每个从设备都能收到这个地址，并且收到地址后和自己的设备地址比较看是否相等。如果相等说明主设备本次通信就是给我说话，如果不想等说明这次通信与我无关，不用听了不管了。

发送方发送一段数据后，接收方需要回应一个 ACK。这个响应本身只有1个 bit 位，不能携带有效信息，只能表示 2 个意思(要么表示收到数据，即有效响应；要么表示未收到数据，无效响应)。应答信号ACK只能是必须是接收方发送，因为只有发送方发送数据后接收方才能应答。

在某一个通信时刻，主设备和从设备只能有一个在发(占用总线，也就是向总线写)，另在每个时钟的上升沿，把要发送的数据准备好，发送的才有效应答信号ACK只能是必须是接收方发送，因为只有发送方发送数据后接收方才能应答一个在收(从总线读)。如果在某个时间主设备和从设备都试图向总线写那就完蛋了，通信就乱套了。

数据在总线上的传输协议

I2C通信时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。

起始位及其后的8个CLK中都是主设备在发送(主设备掌控总线)，此时从设备只能读取总线，通过读总线来得知主设备发给从设备的信息；然后到了第9周期，按照协议规定从设备需要发送ACK给主设备，所以此时主设备必须释放总线(主设备把总线置为高电平然后不要动，其实就类似于总线空闲状态)，同时从设备试图拉低总线后发出ACK。如果从设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高，这对主设备来说，意味着我没收到ACK，主设备就认为刚才给从设备发送的8字节不对（接收失败）

二、 软件模拟协议

1.IIC初始化函数

功能：配置IIC的时钟线和数据线

void IIC_Init(void)

{      

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);    

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_11;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 

IIC_SCL=1;

IIC_SDA=1;

}

  因为是软件模拟IIC那么我们选择IIC通讯的引脚就相对来说说比较随意，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。这里我们就选择PC11、PC12作为IIC的数据和时钟引脚。设置为推挽输出即可。

2.起始信号

功能: CPU发起I2C总线起始信号

void IIC_Start(void)

{

IIC_SDA=1;     

IIC_SCL=1;

delay_us(4);

  IIC_SDA=0;//START:当 CLK 为高电平时,DATA 从高到低改变

delay_us(4);

IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 

delay_us(4);

}

  起始信号产生后，所有从机设备就开始等待STM32紧接下来的从机地址信号。在IIC总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据IIC协议，这个从机地址可以是 7位或10位。在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。

3.等待应答信号

功能：CPU 产生一个时钟，并读取器件的 ACK 应答信号

//返回值：1，接收应答失败  0，接收应答成功

u8 IIC_Wait_Ack(void)

{

u8 re;

IIC_SDA=1;delay_us(1);//CPU释放SDA总线    

IIC_SCL=1;delay_us(1);//CPU驱动SCL=1,此时器件会返回ACK应答

if(READ_SDA){//CPU读取SDA口线状态

   re=1;

}else{

  re=0;

}

IIC_SCL=0;//时钟输出0    

return re;  

} 

  该函数用于 STM32 作为发送方时，等待及处理接收方传来的响应或非响应信号， 即一般调用前面的 IIC_SendByte 函数后，再调用本函数检测响应。

  STM32控制 SDA 信号线输出高阻态，释放它对 SDA的控制权，由接收方控制；控制 SCL 信号线切换高低电平，产生一个时钟信号，根据IIC协议，此时接收方若把 SDA 设置为低电平，就表示返回一个“应答”信号，若 SDA 保持为高电平，则表示返回一个“非应答 ”信号；在 SCL 切换高低电平之间，有个延时确保给予了足够的时间让接收方返回应答信号，延时后使用宏SDA_READ 读取 SDA 线的电平，根据电平值赋予 re 变量的值； 函数的最后返回 re的值，接收到响应时返回 0，未接收到响应时返回 1。当 STM32 作为数据接收端，调用 IIC_ReadByte 函数后，需要给发送端返回应答或非应答信号，此时可使用 IIC_Ack及 IIC_Nack 函数处理，该处理与 IIC_Wait_Ack函数相反，此时 SDA线也由 STM32控制。

4.应答信号

功能: CPU 产生一个 ACK 信号

//CPU产生一个ACK信号

void IIC_Ack(void)

{

IIC_SDA=0;//CPU驱动SDA=0

delay_us(2);

IIC_SCL=1;//CPU产生一个时钟

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

delay_us(2);

IIC_SDA=1;//CPU释放SDA总线

}

//CPU产生1个NACK信号

void IIC_Nack (void)

{

IIC_SDA=1();//CPU驱动SDA=1

delay_us(2);

IIC_SDA=1;//CPU产生1个时钟

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

delay_us(2);

}

  I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

  代码的具体流程就是：根据要返回“应答”还是“非应答”信号，先准备好 SDA 线的电平，IIC_Ack函数中把 SDA 线设置为低电平，表示“应答”信号，IIC_Nack 函数中把 SDA 线设置为高电平，表示“非应答”信号；控制 SCL 线进行高低电平切换，产生一个时钟信号，在 SCL 线的高低电平之间加入一个延时，确保有足够的时间让通讯的另一方接收到 SDA信号线的电平；在 IIC_Ack 函数的末尾，响应信号发送结束后，重新把 SDA 线设置为高电平以释放总线的控制权，方便后续的通讯。

5.停止信号

功能：CPU 发起 I2C 总线停止信号

{

IIC_SDA=0;//STOP:当 CLK 为高电平时候， SDA出现一个上调表示IIC总线停止信号

IIC_SCL=1;

  delay_us(4);

IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号    

}

  停止信号直接看是时序图就可以搞定了，在SCL和SDA都为低电平的情况下，首先把时钟线SCL拉高，再把数据线SDA拉高，IIC就会结束传输了。

  以上就是软件模拟IIC协议了，在平时的应用中我们实际上不需要掌握这些具体的代码，只要知道IIC协议的过程原理就行了，应为一般来说我们用的都是别人写好的代码，我们只需要会用就可以了，如果你的代码和我这些有出入也没有关系，只要能正常通讯即可，当然如果你的设计在过程中出现了一些问题，或者显示不正常，我们首先考虑的也不是底层协议的问题，而是你代码的其他问题。

6.IIC发送字节

功能: CPU向I2C总线设备发送8bit数据

void IIC_SendByte(u8 Byte)

{

u8 i;

/* 先发送字节的高位bit7 */

for (i = 0; i < 8; i++)

{

if (Byte & 0x80)

{

  IIC_SDA=1;

}

else

{

IIC_SDA=0;

}

i2c_Delay();

IIC_SCL=1;

delay_us(2);

IIC_SCL=0;

if (i == 7)

{

IIC_SDA=1;// 释放总线

}

Byte <<= 1; /* 左移一个bit */

delay_us(2);

}

}

  该函数以其输入参数作为要使用 I2C 协议输出的数据，该数据大小为一字节。函数的主体是一个 8 次的 for 循环，循环体执行一次将会对外发送一个数据位，循环结束时刚好发送完该字节数据。步骤分解如下：

  首先程序对输入参数Byte 和 0x80“与”运算，判断其最高位的逻辑值，为 1 时控制 SDA输出高电平，为 0则控制 SDA输出低电平；接下来 延时，以此保证 SDA 线输出的电平已稳定，再进行后续操作；之后控制 SCL线产生高低电平跳变，也就是产生 I2C协议中 SCL线的通讯时钟； 在 SCL线高低电平之间有个延时，该延时期间 SCL线维持高电平，根据 I2C协议，此时数据有效，通讯的另一方会在此时读取 SDA 线的电平逻辑，高电平时接收到该位为数据 1，否则为 0；就这样一次循环体执行结束，Byte 左移一位以便下次循环发送下一位的数据；如次循环 8 次，把Byte 中的 8 位个数据位发送完毕，在最后一位发送完成后（此时循环计数器 i=7），控制 SDA 线输出 1（即高阻态），也就是说发送方释放 SDA总线，等待接收方的应答信号。

7.IIC读取字节

功能: CPU从IIC总线设备读取8bit数据

u8_t IIC_ReadByte(void)

{

u8 i;

u8 value;

//读到第1个bit为数据的bit7

value = 0;

for (i = 0; i < 8; i++)

{

value <<= 1;

IIC_SCL=1;

delay_us(2);

if (DA_READ)

{

value++;

}

IIC_SCL=0;

delay_us(2);

}

return value;

}

  IIC_ReadByte 函数也是以 for 循环为主体，循环体会被执行 8次，执行完毕后将会接收到一个字节的数据，循环体接收数据的流程如下：

  首先使用一个变量 value 暂存要接收的数据，每次循环开始前先对 value 的值左移 1 位，以给 value 变量的 bit0 腾出空间，bit0 将用于缓存最新接收到的数据位，一位一位地接收并移位，最后拼出完整的 8位数据；然后控制 SCL线进行高低电平切换，输出 I2C 协议通讯用的时钟； 在 SCL 线高低电平切换之间，有个延时，该延时确保给予了足够的时间让数据发送方进行处理，即发送方在 SCL 时钟驱动下通过 SDA 信号线发出电平逻辑信号，而这个延时之后，作为数据接收端的 STM32 使用宏 SDA_READ读取 SDA信号线的电平，若信号线为 1，则 value++，即把它的 bit0置 1，否则不操作（这样该位将保持为 0），这样就读取到了一位的数据；接下来SCL线切换成低电平后，加入延时，以便接收端根据需要切换 SDA 线输出数据；直到循环结束后，value 变量中包含有 1 个字节数据，使用 return 把它作为函数返回值返回；

三、 硬件协议

  相对来说，硬件IIC直接使用外设来控制引脚，可以减轻 CPU 的负担。不过使用硬件IIC 时必须使用某些固定的引脚作为 SCL 和 SDA，软件模拟IIC则可以使用任意 GPIO 引脚，相对比较灵活。

  STM32的IIC外设可用作通讯的主机或从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7位、10位设备地址，支持 DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的IIC外设还支持 SMBus2.0协，SMBus 协议与IIC类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中。

  STM32 芯片有多个IIC外设，它们的IIC通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。

IIC初始化函数

void IIC_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;// 开漏输出 

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

IIC_SCL=1;

IIC_SDA=1;//给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式

}

  因为是硬件IIC直接使用外设来控制引脚，那么我们选择IIC通讯的引脚就比较固定，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。可以看到PB6和PB7两个引脚可以作为IIC的通讯引脚，而且PB6为SCL时钟线，而PB7则为SDA数据线，并设置为开漏输出。

  这里为啥设置为开漏输出的方式呢？

  这是由于使用的是软件模拟IIC方式，而IIC协议的 GPIO 必须的开漏输出模式，开漏输出模式在输出高电平时实际输出高阻态，当IIC该总线上所有设备都输出高阻态时，由外部的上拉电阻上拉为高电平。另外当 STM32 的 GPIO 配置成开漏输出模式时，它仍然可以通过读取GPIO 的输入数据寄存器获取外部对引脚的输入电平，也就是说它同时具有浮空输入模式的功能，因此在后面控制 SDA线对外输出电平或读取 SDA线的电平信号时不需要切换 GPIO的模式。

  另外在应交IIC协议之下，它的起始信号、等待应答信号、应答信号、停止信号都与软件模拟IIC协议之下的函数相同，在这里我就不重复说明了。

总结：IIC通讯协议很简单，在实际项目中我们不需要掌握具体的IIC协议代码，只要会用即可，作为最常见且常用的协议，我们最好能够背下来或者有所了解。现在IIC通讯不陌生了吧！