概述

IIC（Inter-Integrated Circuit）其實(shí)是IICBus簡(jiǎn)稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊設(shè)備而發(fā)展。I2C的正確讀法為“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）則是另一種錯(cuò)誤但被廣泛使用的讀法。自2006年10月1日起，使用I2C協(xié)議已經(jīng)不需要支付專利費(fèi)，但制造商仍然需要付費(fèi)以獲取I2C從屬設(shè)備地址。

接口

I2C串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。

• SCL - 串行時(shí)鐘線
• SDA - 串行數(shù)據(jù)線
• 

為了避免總線信號(hào)的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時(shí)必須是漏極開(kāi)路（OD）輸出或集電極開(kāi)路（OC）輸出。設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線SDA接口電路應(yīng)該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時(shí)鐘線也應(yīng)是雙向的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機(jī)，一方面要通過(guò)SCL輸出電路發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，另一方面還要檢測(cè)總線上的SCL電平，以決定什么時(shí)候發(fā)送下一個(gè)時(shí)鐘脈沖電平；作為接受主機(jī)命令的從機(jī)，要按總線上的SCL信號(hào)發(fā)出或接收SDA上的信號(hào)，也可以向SCL線發(fā)出低電平信號(hào)以延長(zhǎng)總線時(shí)鐘信號(hào)周期?？偩€空閑時(shí)，因各設(shè)備都是開(kāi)漏輸出，上拉電阻Rp使SDA和SCL線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都將使相應(yīng)的總線信號(hào)線變低，也就是說(shuō)：各設(shè)備的SDA是“與”關(guān)系，SCL也是“與”關(guān)系。 因此SDA和SCL 可以被拉低為低電平，但是不能被驅(qū)動(dòng)為高電平，所以每條線上都要使用一個(gè)上拉電阻，默認(rèn)情況下將其保持在高電平。 IIC 總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s 在快速模式下可達(dá) 400kbit/s 在高速模式下可達(dá) 3.4Mbit/s。

通信協(xié)議

SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。

空閑狀態(tài)

SDA為高電平，SCL為高電平。

起始狀態(tài)

其中一種情況是在 SCL 線是高電平時(shí) SDA 線從高電平向低電平切換，產(chǎn)生一個(gè) 下降沿 ，這個(gè)情況表示起始條件。

結(jié)束狀態(tài)

當(dāng) SCL 是高電平時(shí) SDA 線由低電平向高電平切換，產(chǎn)生一個(gè) 上升沿 ，這個(gè)情況表示停止條件。

傳輸數(shù)據(jù)

器件地址位

由于IIC總線上可能掛載著多臺(tái)設(shè)備，所以主設(shè)備在傳輸有效數(shù)據(jù)之前要先指定從設(shè)備的地址， 大多數(shù)從設(shè)備的地址是7位的，還有部分設(shè)備支持10位尋址 ，主設(shè)備如果需要向從機(jī)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對(duì)應(yīng)從機(jī)的地址，然后會(huì)匹配總線上掛載的從機(jī)的地址。將數(shù)據(jù)發(fā)送至SDA數(shù)據(jù)線上即可。

讀寫(xiě)位

緊接著的第 8 位是數(shù)據(jù)方向位(R/ W) ----'0'表示發(fā)送（寫(xiě)），'1'表示請(qǐng)求數(shù)據(jù)（讀）。

應(yīng)答信號(hào)位

主設(shè)備每發(fā)送完8bit數(shù)據(jù)后等待從設(shè)備的ACK。 即在第9個(gè)clock，若從設(shè)備發(fā)ACK，SDA會(huì)被拉低。 若沒(méi)有ACK，SDA會(huì)被置高，這會(huì)引起主設(shè)備發(fā)生RESTART或STOP流程，當(dāng)ACK=0時(shí)為有效應(yīng)答位，說(shuō)明從機(jī)已經(jīng)成功接收到該字節(jié)，若為1則說(shuō)明接受不成功。

數(shù)據(jù)地址位

當(dāng)找到往哪個(gè)設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)之后，就開(kāi)始尋址往這個(gè)設(shè)備的特定地址寫(xiě)數(shù)據(jù)，和上述的發(fā)送器件地址一樣，直接將地址數(shù)據(jù)發(fā)送至SDA線即可。

數(shù)據(jù)位

發(fā)送到 SDA 線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位，首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位 (MSB) 。

示例

設(shè)置器件地址為0x78(0111 1000)，數(shù)據(jù)地址為0x40(0100 0000)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)0xAA(1010 1010)。

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,0x78,0x40,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_i,1,0x100);

查看HAL_I2C_Mem_Write說(shuō)明可以得知，目標(biāo)設(shè)備地址在調(diào)用接口之前，數(shù)據(jù)表中設(shè)備的7位地址值必須左移；即發(fā)送到從設(shè)備的數(shù)據(jù)已經(jīng)右移了一位，所以0x78(0111 1000)右移一位變成0x3c(011 1100)。

/**
 * @brief  Write an amount of data in blocking mode to a specific memory address
 * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
 *                the configuration information for the specified I2C.
 * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
 *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
 * @param  MemAddress Internal memory address
 * @param  MemAddSize Size of internal memory address
 * @param  pData Pointer to data buffer
 * @param  Size Amount of data to be sent
 * @param  Timeout Timeout duration
 * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,
                                    uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

通過(guò)示波器抓取的波形如下所示。

• 在空閑狀態(tài)，SDA和SCL都是處于高電平狀態(tài)。

• 在起始狀態(tài)，SDA先產(chǎn)生一個(gè)下降沿，之后SCL也出現(xiàn)一個(gè)下降沿，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始。

• 在傳輸狀態(tài)，由于傳輸速率為100kbit/s，故SCL時(shí)鐘的切換時(shí)間為5us，一個(gè)周期為10us；當(dāng)SCL為1的時(shí)候，SDA不會(huì)發(fā)生改變，故檢測(cè)SDA信號(hào)線的數(shù)據(jù)，當(dāng)為低電平則為0，高電平則為1.

• 在讀寫(xiě)狀態(tài)，當(dāng)SDA數(shù)據(jù)為0的時(shí)候，為寫(xiě)狀態(tài)。

• 在應(yīng)答狀態(tài)，當(dāng)SDA數(shù)據(jù)為0的時(shí)候，為應(yīng)答狀態(tài)。 上述為成功傳輸?shù)睦?，若不成功傳輸，設(shè)置器件地址為0x77(0111 0111)，數(shù)據(jù)地址為0x40(0100 0000)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)0xAA(1010 1010)。

  HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,0x77,0x40,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_i,1,0x100);
  

  由于地址位0x77(0111 0111)右移一位，故發(fā)送出去的為0x3B(011 1011),通過(guò)示波器抓取的波形如下所示。

  • 在應(yīng)答狀態(tài)，由于沒(méi)有連接0x77地址（實(shí)際發(fā)送為0x3B）的設(shè)備，當(dāng)SDA數(shù)據(jù)為1的時(shí)候，為非應(yīng)答狀態(tài)，之后進(jìn)入復(fù)位或者停止。

審核編輯：湯梓紅