I2C总线
1.1 概述
I2C（Inter-Integrated Circuit），通常简称为IIC，是一种用在集成电路（IC）之间的串行通信总线。它是由Philips（现在的NXP半导体）在上世纪80年代开发的，并在之后广泛应用于各种电子设备和嵌入式系统中。
1.2 信号线
I2C为同步串行通信，使用两根线路进行通信，分别是数据线（SDA）和时钟线（SCL），SDA线用于数据传输，SCL线用于数据传输的同步。SCL的每个时钟周期，SDA传输一位数据。
I2C规定，数据接收方会在每个时钟周期的高电平期间读取数据，具体来讲就是在SCL处于高电平时，读取SDA上的数据，如下图所示:
因此，SDA必须在SCL低电平期准备好要发送的下一位数据，然后在SCL高电平期间保持稳定。
1.3 主从架构
I2C采用主从架构，一个主设备可连接多个从设备。主设备负责发起通信和控制总线，而从设备负责响应主设备的请求。如下图所示:
I2C总线中的每个设备都有一个唯一的地址（用7位二进制数字表示），用于在总线上标识自己。主设备可以根据地址选择性的与特定的从设备进行通信。
需要注意的是，SCL信号线上的时钟信号始终由主设备产生，而SDA信号线上的数据信号既可由主设备产生，也可由从设备产生。当主设备向从设备发送数据时，SDA信号由主设备产生，从设备接收信号；当主设备从从设备读取数据时，SDA信号由从设备产生，主设备接收信号。
1.4 通信协议
1.4.1 空闲状态
I2C协议规定，当SDA和SCL均为高电平时，总线为空闲状态。
1.4.2 起始和结束信号
主设备和从设备间的每次通信，都需要以一个起始信号开始，以一个结束信号终止。起始信号和结束信号的定义如下：
起始信号：当SCL处于高电平时，SDA由高变低。
停止信号：当SCL处于高电平时，SDA由低变高。
如下图：
起始信号和结束信号，都只能由主设备产生。
1.4.3 确认信号
I2C协议规定，发送方每发送一个字节（8位）的数据，接收方都要向发送方回复一个1位的确认信号，如下图所示。
如果该确认信号为0表示接收方已成功接收到该字节，发送方可继续发送下一字节，这个信号在I2C协议中称为ACK（Acknowledge）；如果该信号为1，则表示接收方未能成功接收到该字节，或者不希望接收更多数据，该信号在I2C协议中称为NACK（Not Acknowledge）。
1.4.4 从机地址和读写标识
由于一个I2C总线上可能有多个从设备，所以开始通信前，主设备需要先与目标设备取得联系，然后再进行数据传输，除此之外，主机还需要向目标设备明确本次通信的操作是写数据还是读数据。
上述操作的实现思路如下：
当主设备发送起始信号之后，会向所有设备发送一个字节的数据，这一个字节中，前7位为目标设备地址，第8位为读/写标识（1表示读，0表示写），如下图所示。
- 当各从设备收到这个字节的数据后，会将7位地址与自身进行对比，相同则会向主设备回复确认信号，不相同则不做任何回应。
- 当主设备收到目标设备的确认信号后，便会开始与该设备进行通信。
1.4.5 完整通信流程
综上所述，当主设备想要与某个从设备进行通信时，需要经历如下流程。
- 发送起始信号;
- 发送目标从设备地址+读写标识位;
- 接收从设备回复的确认信号;
- 与从设备进行数据传输（发送/接收）;
- 发送终止信号;
1.5 基础驱动编写
1.5.1功能分析
为方便后序使用I2C协议通信，此处先编写一个通用的基础的驱动，该驱动包含的具体函数如下图所示:
1.5.2 发送起始信号
- 确保在空闲状态：当
SDA和SCL均为高电平时，总线为空闲状态
SCL = 1;
SDA = 1;- 拉低
SDA，发送起始信号
SDA = 0;- 拉低
SCL，准备后面的数据位:
SCL = 0;代码：
void Dri_IIC_Start(){
SCL = 1;
SDA = 1;
SDA = 0;
SCL = 0;
}1.5.3 发送一个字节
SCL低电平期间准备数据位，例如:
SDA = 1
- 拉高
SCL，发送数据:
SCL = 1- 拉低
SCL，准备下一位：
SCL = 0- 准备下一位数据：
SDA = 0- 拉高
SCL，发送数据:
SCL = 1
SCL = 0至此，发送了两个数据位，不难发现，发送每个数据位的操作是相同的，因此，想要发送一个字节，只需将发送一个数据位的操作循环执行8次即可：
需要注意的是I2C协议规定，发送一个字节的数据时，要从高位开始，具体代码如下：
void Dri_IIC_SendByte(u8 byte)
{
u8 i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
// SDA = (byte & (0x80 >> i)) == 0 ? 0 : 1;
// 0x80: 1000 0000
if((byte & 0x80) == 0x00) {
SDA = 0;
}else {
SDA = 1;
}
byte <<= 1;
SCL = 1;
SCL = 0;
}
}1.5.4 接收确认信号
主设备释放SDA
如何释放SDA?
I2C协议规定，所有设备的SCL和SDA引脚都需要以开漏(Open-Drain)模式接入总线，如下图所示:
- 该模式的工作原理是:设备输出低电平时，
MOS管导通，信号线接地为低电平; 设备输出高电平时，MOS管关闭，信号线被上拉电阻拉至高电平。 - 因此主设备在接受从设备数据时，需要将
SDA输出置为1，此时主设备的SDA输出和SDA信号线呈断开状态，从设备便可控制SDA信号线向主设备发送确认信号了。
释放步骤：
SDA = 1;
- 设置
SDA = 1后，从设备会在SCL电平期间准备好确认信号
- 拉高
SCL， 读取确认信号：
SCL = 1;
ack = SDA;
- 拉低
SCL，准备下一位数据
SCL = 0;
代码：
bit Dri_IIC_ReceiveAck()
{
bit ack;
SDA = 1;
SCL = 1;
ack = SDA;
SCL = 0;
return ack;
}1.5.5 接收一个字节
- 主设备释放
SDA，以允许从设备驱动SDA
SDA = 1
- 拉高
SCL，并在SCL高电平期间读取SDA的值
SCL = 1;
current_bit = SDA;
- 拉低SCL，以便从设备准备下一位数据：
SCL = 0;
SCL = 1;
current_bit = SDA;完整代码:
u8 Dri_IIC_ReceiveByte()
{
u8 byte = 0;
u8 i;
SDA = 1;
for (i = 0; i < 8; i++) {
SCL = 1;
byte = (byte << 1) | SDA;
SCL = 0;
}
return byte;
}1.5.6 发送确认信号
SDA = 0
SCL = 1;
SCL = 0;代码：
void Dri_IIC_SendAck(bit ack)
{
SDA = ack;
SCL = 1;
SCL = 0;
}1.5.7 发送停止信号
SDA = 0
SCL = 1;
SDA = 1代码：
void Dri_IIC_Stop()
{
SDA = 0;
SCL = 1;
SDA = 1;
}1.5.8 完整代码
Dri_IIC.h
#ifndef __DRI_IIC_H__
#define __DRI_IIC_H__
#include <STC89C5xRC.H>
#include "Util.h"
#define SCL P17
#define SDA P16
void Dri_IIC_Start();
void Dri_IIC_Stop();
void Dri_IIC_SendByte(u8 byte);
u8 Dri_IIC_ReceiveByte();
void Dri_IIC_SendAck(bit ack);
bit Dri_IIC_ReceiveAck();
#endif /* __DRI_IIC_H__ */Dri_IIC.c
#include "Dri_IIC.h"
void Dri_IIC_Start()
{
SCL = 1;
SDA = 1;
SDA = 0;
SCL = 0;
}
void Dri_IIC_Stop()
{
SDA = 0;
SCL = 1;
SDA = 1;
}
void Dri_IIC_SendByte(u8 byte)
{
u8 i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
// SDA = (byte & (0x80 >> i)) == 0 ? 0 : 1;
// 0x80: 1000 0000
if((byte & 0x80) == 0x00) {
SDA = 0;
}else {
SDA = 1;
}
byte <<= 1;
SCL = 1;
SCL = 0;
}
}
u8 Dri_IIC_ReceiveByte()
{
u8 byte = 0;
u8 i;
SDA = 1;
for (i = 0; i < 8; i++) {
SCL = 1;
byte = (byte << 1) | SDA;
SCL = 0;
}
return byte;
}
void Dri_IIC_SendAck(bit ack)
{
SDA = ack;
SCL = 1;
SCL = 0;
}
bit Dri_IIC_ReceiveAck()
{
bit ack;
SDA = 1;
SCL = 1;
ack = SDA;
SCL = 0;
return ack;
}
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