STM32之八：IIC通信协议

1. IIC协议简介

1.1 主从模式

1.2 2根通信线

2. IIC协议时序

2.1 起始条件和终止条件

2.2 发送一个字节

2.3 接收一个字节

2.4 应答信号

1. IIC协议简介

IIC协议是一个半双工、同步、一主多从、多主多从的串行通用数据总线。该通信模式需要2根线：SCL、SDA，即时钟线和数据线。

1.1 主从模式

IIC协议支持一主多从和多主多从，每个设备都有唯一的地址。

1.2 2根通信线

SDA：数据线，用于传输数据

SCL：时钟线，用于同步数据传输

接线时所有IIC设备的SCL连在一起，SDA连在一起，不同的设备，都是并联接在这两条线上（设备之间“线与”关系），I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。设备的SCL的SDA均要配置成开漏输出模式，SCL和SDA需要各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

这里补充一下，因为有看到过一个主机一个从机的情况下，可以设置为推挽输出模式，但是在一主多从，或者多主多从的情况下，推荐开漏输出，原因请看下文。

为了能理解为什么在IIC协议总线上，IO口模式需要设置为开漏输出模式，而不能使用推挽输出模式，可以看下GPIO口的硬件结构：

看输出驱动器部分，可以看到使用了两个MOS管，分别是P-MOS和N-MOS管，这些是STM32 GPIO输出模式的关键元件。‌在推挽输出模式下，‌P-MOS管和N-MOS管都工作，‌通过控制这些管的开关状态来实现高电平和低电平的输出。‌在开漏输出模式下，‌只有N-MOS管工作，‌用于输出低电平，‌而高电平的输出则需要通过外部上拉电阻实现。

推挽输出模式：

推挽输出结构是由两个MOS收到互补控制的信号控制。推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。推挽输出模式中，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0（低电平），则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出低电平；若控制输出为1（高电平），则P-MOS管导通，N-MOS管关闭，输出高电平。外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时的IO口电平。

优点：驱动能力强，电平切换能力快（根据GPIO的波特率可用作模拟其他协议）。

缺点：多个推挽输出端口相连时，由于通路上阻抗较小电流会从IO的VDD流向另一个IO的GND，会发生短路进而对端口造成伤害。（这里就解释了为什么IIC不能使用推挽输出模式，如果多个从机都接到SDA线上，一个机器发送数据0，另一个机器发送数据1，则可能会发生短路进而毁坏IIC器件）。

开漏输出模式：

开漏输出时只有N-MOS管工作，只能输出低电平。当其输出高电平时没有驱动能力（电压会被外部阻抗拉低），需要借助外部上拉电阻完成对外驱动（通断N-MOS实现对路径上的电压控制），驱动能力取决于上拉电阻阻值。

如果我们控制输出为0（低电平），则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，输出低电平；若控制输出为1（高电平），则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定。如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态。

半双工：一根数据线，这根数据线既可以发送数据，也可以接收数据，但是不能同时发送和接收，所以叫做半双工通信。

代码如下：注意开漏输出模式

// PB11-->SDA
// PB10-->CLK

void MyI2C_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//开启GPIOB的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出
	
	/*设置默认电平*/
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默认为高电平（释放总线状态）
}

2. IIC协议时序

2.1 起始条件和终止条件

IIC需要起始信号和终止信号。

/**
  * 函    数：I2C起始
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平
	MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号
	MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}
/**
  * 函    数：I2C终止
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平
	MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}


//---------------
/**
  * 函    数：I2C写SCL引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCL的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCL为低电平，当BitValue为1时，需要置SCL为高电平
  */
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}

/**
  * 函    数：I2C写SDA引脚电平
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SDA的电平，范围0~0xFF
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SDA为低电平，当BitValue非0时，需要置SDA为高电平
  */
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}

2.2 发送一个字节

/**
  * 函    数：I2C发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节数据，范围：0x00~0xFF
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线
		MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDA
		MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据
	}
}

2.3 接收一个字节

/**
  * 函    数：I2C接收一个字节
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收到的一个字节数据，范围：0x00~0xFF
  */
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到
	MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送
	for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位
	{
		MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDA
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量
														//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0
		MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA
	}
	return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}

/**
  * 函    数：I2C读SDA引脚电平
  * 参    数：无
  * 返 回 值：协议层需要得到的当前SDA的电平，范围0~1
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前SDA为低电平时，返回0，当前SDA为高电平时，返回1
  */
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平
	Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
	return BitValue;											//返回SDA电平
}

2.4 应答信号

/**
  * 函    数：I2C发送应答位
  * 参    数：Byte 要发送的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答
  * 返 回 值：无
  */
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位
	MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}

/**
  * 函    数：I2C接收应答位
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收到的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答
  */
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;							//定义应答位变量
	MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送
	MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDA
	AckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里
	MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
	return AckBit;							//返回定义应答位变量
}