IIC协议

news2025/1/10 11:05:01

1.认识IIC

1、IIC协议概述：

  • IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）是一种串行通信协议，也被称为I2C协议。它是由荷兰的PHILIPS公司（现在philips公司将其半导体部门拆分出来并更名为NXP半导体公司）在1982年开发的一种简单、高效的通信协议。
  • IIC协议主要用与连接电路之间进行短距离的数字通信，比如连接微控制器及其外围设备。
  • IIC协议使用两线式串行总线。
  • IIC有点像串口，但是串口是全双工，但是IIC属于半双工同步通信方式，数据传输线只有一根，传输和接收要去占用SDA线。

2、IIC协议特点：

  1. 简单性：IIC协议只使用了两根信号线，并且由于接口直接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。能够支持40个组件。
  2. IIC协议的通信速率：在一些特定的应用或特定的环境下（比如用于学习），为了提供高通信的稳定确定性和可靠性，某些设备或系统选择将IIC协议的传输速率限制在较低的速率，例如10 Kbps。但它并不代表IIC协议的最大通信速率就是10 Kbps。根据协议版本不同IIC协议的通信速率会有不同，标准模式的IIC协议支持最大传输速率为100 Kbps，快速模式则为 400 Kbps，高速模式则为 3.4 Mbps。
  3. 多主控(multimastering)：其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控设备，这些主控设备可以是MCU、OLED、手持传感器、陀螺仪等其他I2C接口器件（如下图），这些I2C接口器件都共用这两根串行总线。当然，在任何时间点上只能有一个主控。主控设备负有责任发起和控制通信，它可以向其他设备发送命令、读取数据，并负责协调总线上的通信活动。其他设备被称为从属设备（Slave Device），它们被主控设备控制并响应主控设备的命令。从属设备不能主动发起通信，而正在主控设备的指示下进行相应的操作。因此，虽然任何设备都可以作为IIC协议中的主控设备，但在实际应用中，根据设备的功能和设计，选择合适的设备作为主控设备，其他设备则作为从属设备，以满足通信需求和数据交换的要求
  4. 硬件地址查找：每个从设备在总线上都有唯一一个硬件地址，主设备通过这个地址来选择与之通信的从设备。

3、IIC协议构成：IIC协议是两线式串行总线，两根信号线分别是数据线SDA和时钟线SCL。所有用IIC通讯的设备都需要遵循相同的通讯时序。

  1. SDA（Serial Data Line，数据线）：用于传输数据。
  2. SCL（Serial Clock Line）时钟线：用于传输时间信息，时钟信号是由主控器件产生的。

  • 在时间信息的控制下，主设备（如微控制器）可以与多个从设备（如传感器、存储器、显示器等）进行双向通信。
  • 所有接到IIC总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。对于并联在一条总线上的每个IC都有唯一的地址。

4、单片机使用IIC协议的注意点：

  1. 由于51单片机开发板上刚好有硬件串口，也就是有与串口对应的寄存器支持，所以，51单片机的串口通信协议（波特率、数据位、起始位、停止位）是通过配置寄存器来完成的。
  2. 但是51单片机上没有IIC这种硬件设备，所以无法通过配置寄存器来驱动串行通信协议，需要分析I2C接口器件时序后转化为代码，通过I/O口来模拟IIC协议（类似于LCD模块、DHT11模块这些非标协议）。
  3. 接下来，我们以51单片机作为主设备，以OLED屏幕作为从设备，连接方式是直连。当然如果有多个从设备，那么就需要用到面包板，实现如上图中并联的效果。
  4. C语言在调用函数时有一个压栈和弹栈的过程，所以即使你调用的函数什么也没有做，在晶振为11.0592MHz的情况下，也需要耗费5微秒的时间。而单片机中_nop()_就是一个空函数，一个nop的耗时为5微秒。

5、IIC总线的信号类型：IIC总线在传输数据的过程中一共有三种类型信号，分别为：开始信号、结束信号和应答信号。

  • 类似于串口，多机通讯无非要关注：起始位，停止位，数据位，波特率。
  • 那么在IIC协议中，开始信号就相当于设置起始位，结束信号就相当于设置停止位，程序中根据时序图通过延时等方法去控制时间点相当于设置波特率。

6、分析时序图的正确逻辑：回顾DHT11模块的时序分析，我们做的还不好，正确的分析逻辑应该如下。

  1. 对总线上的信号进行分类：因为不同信号的表达方式是不一样的，比如启动信号是置高低电平，响应信号是被拉成高低电平。分类完成后的每部分信号都是总体通讯时序图中的一部分。
  2. 在每种信号时序上标注字母：每种信号时序图上可能有多个数据线，所以标注的点最好划分的细致一点
  3. 三步骤读时序图：读时序图关注开始、转折、结尾。读的时候进行记录，可以使用“置高/低电平”、“电平被拉高/低”、“从低/高电平转折为高/低电平”、“维持高/低电平”、“延时”、“卡x点，直到数据线变成高/低电平”等字眼帮助判断。
  4. 编写代码：将时序逻辑复制到代码编辑器中，照着时序分析写代码（一个时序分析完之后就进行一次函数封装）。
  • 注意：当时序图中总线多的时候（比如LCD1602的读写时序图中有4根总线），那么就需要先查看引脚说明。

2.IIC协议通讯时序分析1：起始、终止、应答

1、起始信号：

  1. o点：
    1. SCL置高电平
    2. SDA置低电平
  2. a点：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA从低电平转折为高电平，时间未知
  3. a—>b：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA延时4.7微秒
  4. b—>c：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA从高电平转折为低电平，时间未知
  5. c—>d：
    1. SCL延时4微秒
    2. SDA维持低电平
  6. d点：
    1. SCL从高电平转折为低电平，时间未知
    2. SDA维持低电平
  7. void IIC_Start()
{
    // a点：
    scl = 1;    // SCL置高电平
    sda = 1;    // SDA从低电平转折为高电平，时间未知
    // a—>b：
                // SCL维持高电平
    _nop_();    // SDA延时4.7微秒
    // b—>c：
                // SCL维持高电平
    sda = 0;    // SDA从高电平转折为低电平，时间未知
    // c—>d：
    _nop();    // SCL延时4微秒
                // SDA维持低电平
    // d点：
    scl = 0;    // SCL从高电平转折为低电平，时间未知
                // SDA维持低电平
}

2、终止信号：

  1. o点：
    1. SCL置低电平
    2. SDA置低电平
  2. a点：
    1. SCL从低电平转折为高电平，时间未知
    2. SDA维持低电平
  3. a—>b：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA延时4微秒
  4. b—>c：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA从低电平转折为高电平，时间未知
  5. c—>d：
    1. SCL维持低高电平
    2. SDA延时4.7微秒
  6. d点：
    1. SCL维持高电平
    2. SDA从高电平转折为低电平，时间未知
  7. void IIC_Stop()
{
    // a点：
    scl = 1;    // SCL从低电平转折为高电平，时间未知
    sda = 0;    // SDA置低电平
    // a—>b：
                // SCL维持高电平
    _nop_();    // SDA延时4微秒
    // b—>c：
                // SCL维持高电平
    sda = 1;    // SDA从低电平折为高电平，时间未知
    // c—>d：
                // SCL维持低高电平
    _nop_();    // SDA延时4.7微秒
    // d点：
                // SCL维持高电平
    sda = 0;    // SDA从高电平转折为低电平，时间未知
}

3、应答信号ACK：应答信号的时序图如下图所示，由于SDA是被读量，所以只在SCL数据线上划分点。

  • 目的：IIC的设计是当SDA和SCL总线上连接有上拉电阻（电平被拉高）时，实际上是不走数据的，也就是释放数据线。在从设备收到完整的一个字节（8位）之后，就主动去拉低SDA总线上的电平，代表接收器成功地接收了该字节。
  • 响应形式：
    • 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，Acknowledgement Character，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
    • 应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
  1. o点：
    1. SCL置低电平
    2. SDA：在主控设备发送完成一个字节数据后，就立马发送一个高电平，代表释放SDA数据线
  2. o—>a：
    1. SCL延时
  3. a点：
    1. SCL从低电平转折为高电平，代表释放SCL数据线
  4. a—>b：
    1. SCL延时4微秒，因为读取SDA的时候一定要保证SCL处于高电平的状态
    2. SDA被读
    3. SCL延时4微秒，因为读取SDA的时候一定要保证SCL处于高电平的状态
  5. b点：
    1. SCL从高电平转折为低电平
  6. b—>c：
    1. SCL延时
  • 实际上我们不是很关心ACK函数，只有在后面显示出问题了，比如说显示乱码了才会去调用这个函数进行判断。 
    void IIC_ACK()
{
    char flag;
    // o点：
                // SCL置低电平
    sda = 1;    // SDA：在主控设备发送完成一个字节数据后，就立马发送一个高电平，代表释放SDA数据线
    // o—>a：
    _nop_();    // SCL延时
    // a点：
    scl = 1;    // SCL从低电平转折为高电平，代表释放SCL数据线
    // a—>b：
    _nop_();    // SCL延时4微秒，因为读取SDA的时候一定要保证SCL处于高电平的状态
    flag = sda; // SDA被读
    _nop_();    // SCL延时4微秒，因为读取SDA的时候一定要保证SCL处于高电平的状态
    // b点：
    scl = 0;    // SCL从高电平转折为低电平
    // b—>c：
    _nop_();    // SCL延时
    return flag;
}

3.IIC协议通讯时序分析2：数据发送

1、回顾串口和LCD的数据发送：

  • 在学习串口的时候，我们不去关心数据的发送需要根据数据发送时序图写什么代码，只需要往SBUF里面传输数据就可以了，这是因为单片机上有对应的寄存器硬件；
  • 在学习LCD1602的时候，我们也不去关心数据的发送需要根据写操作时序图写什么代码，只需要往单片机的P0这个I/O口组（和LCD的DB0~DB7相连）里面传输数据就可以了，这也是因为有硬件。
  • 二者相同点：数据传输伴随着一个脉冲信号。
    • 串口发送数据时，脉冲信号由串行移位寄存器SHIFT提供：
      • SHIFT为低电平时进行一位数据的发送；
      • SHIFT由低变高（上升沿）代表发送结束；
      • SHIFT为高电平时允许数据翻转；
      • SHIFT由高变低（下降沿）代表开始发送下一位数据。
    • LCD发送数据时，脉冲信号由使能引脚E提供：
      • 在E由低变高（上升沿）之前就开始发送一字节数据；
      • 一字节数据发送完毕之后E由高变低（下降沿）。

 

 

2、IIC数据发送的时序：

  1. 与起始/终止信号的区别：IIC在进行数据发送的时候，需要注意：
    1. 在SCL为高电平时，允许SDA上进行一位数据的传输，期间不允许数据的翻转；
    2. 在SCL为低电平时，允许数据的翻转。
    3. 如果在SCL为高电平时出现了SDA上数据的翻转，那么IIC接收器会误以为这是起始信号或终止信号。所以每次SDA上进行数据翻转前都要保证SCL处于低电平。
  2. 时序逻辑：
    1. o点：
      1. SCL置低电平：允许数据翻转
      2. SDA发送1bit数据
    2. o—>a：
      1. SCL延时5微秒
      2. SDA正在发送数据
    3. a点：
      1. SCL从低电平转折为高电平
    4. a—>b：
      1. SCL延时5微秒
      2. SDA正在发送数据
    5. b点：
      1. SCL从高电平转折为低电平：为下一次数据翻转做准备
    6. b—>c：
      1. SCL延时5微秒

 

3、IIC协议发送一个字节数据：

  1. 编程逻辑：我们用字符型变量cdata来保存8bit的待发数据。
    1. cdata从哪里来？答：函数传递。
    2. 怎么往SDA线上发1个字节？答：将cdata的每一bit依次传输给sda，共传输8次。
  2. 前提：基于SDA总线数据传输时高位先出的原则。不同的数据传输方法对应不同的读取方式。
  3. 方法：不同于串口的数据位是低位在先，IIC的数据位是高位在先。根据高位先出的原则，每次从SDA发送出去的都是字符型变量cdata的最高位。
    1. 让cdata位与上二进制数1000 0000，即十六进制的0x80（按位运算）：这是取位技巧，将取到的最高位结果发送给SDA。
    2. 传输完1bit后让cdata进行左移1位（移位运算）：剔除cdata的最高位。

     

  4. void IIC_Send_Byte(char cdata)
{
    int i;
    for(i=0; i<8; i++){
        // o点：
        scl = 0;            // SCL置低电平：允许数据翻转
        sda = cdata & 0x80; // SDA发送1bit数据
        // o—>a：
        _nop_();            // SCL延时5微秒
                            // SDA正在发送数据
        // a点：
        scl = 1;            // SCL从低电平转折为高电平
        // a—>b：
        _nop_();            // SCL延时5微秒
                            // SDA正在发送数据
        // b点：
        scl = 0;            // SCL从高电平转折为低电平：为下一次数据翻转做准备
        // b—>c：
        _nop_();            // SCL延时5微秒
        cdata = cdata << 1;
    }
}

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