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：

1. 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。

   

2. 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。
3. 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。

1. 发送起始信号;
2. 发送目标从设备地址+读写标识位;
3. 接收从设备回复的确认信号;
4. 与从设备进行数据传输（发送/接收）;
5. 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

1. 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;

2. 拉低SDA，发送起始信号

SDA = 0;

3. 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

1. SCL低电平期间准备数据位，例如:

SDA = 1

2. 拉高SCL，发送数据:

SCL = 1

3. 拉低SCL，准备下一位：

SCL = 0

4. 准备下一位数据：

SDA = 0

5. 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;

2. 设置SDA = 1 后，从设备会在SCL电平期间准备好确认信号

3. 拉高SCL， 读取确认信号：

SCL = 1;
ack = SDA;

4. 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

1. 主设备释放SDA，以允许从设备驱动SDA

SDA = 1

2. 拉高SCL，并在SCL高电平期间读取SDA的值

SCL = 1;
current_bit = SDA;

3. 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;
}