IIC通讯协议解析

概述

IIC（Inter-Integrated Circuit）其实是IICBus简称，所以中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。I²C的正确读法为“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）则是另一种错误但被广泛使用的读法。自2006年10月1日起，使用I²C协议已经不需要支付专利费，但制造商仍然需要付费以获取I²C从属设备地址。

接口

I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C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。

• SCL - 串行时钟线
• SDA - 串行数据线
• 

为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻Rp使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。 因此SDA和SCL 可以被拉低为低电平，但是不能被驱动为高电平，所以每条线上都要使用一个上拉电阻，默认情况下将其保持在高电平。 IIC 总线上数据的传输速率在标准模式下可达 100kbit/s 在快速模式下可达 400kbit/s 在高速模式下可达 3.4Mbit/s。

通信协议

SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。

空闲状态

SDA为高电平，SCL为高电平。

起始状态

其中一种情况是在 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，产生一个 下降沿 ，这个情况表示起始条件。

结束状态

当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，产生一个 上升沿 ，这个情况表示停止条件。

传输数据

器件地址位

由于IIC总线上可能挂载着多台设备，所以主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址， 大多数从设备的地址是7位的，还有部分设备支持10位寻址 ，主设备如果需要向从机发送/接收数据，首先要发送对应从机的地址，然后会匹配总线上挂载的从机的地址。将数据发送至SDA数据线上即可。

读写位

紧接着的第 8 位是数据方向位(R/ W) ----'0'表示发送（写），'1'表示请求数据（读）。

应答信号位

主设备每发送完8bit数据后等待从设备的ACK。 即在第9个clock，若从设备发ACK，SDA会被拉低。 若没有ACK，SDA会被置高，这会引起主设备发生RESTART或STOP流程，当ACK=0时为有效应答位，说明从机已经成功接收到该字节，若为1则说明接受不成功。

数据地址位

当找到往哪个设备写数据之后，就开始寻址往这个设备的特定地址写数据，和上述的发送器件地址一样，直接将地址数据发送至SDA线即可。

数据位

发送到 SDA 线上的每个字节必须为8位，每次传输可以发送的字节数量不受限制，每个字节后必须跟一个响应位，首先传输的是数据的最高位 (MSB) 。

示例

设置器件地址为0x78(0111 1000)，数据地址为0x40(0100 0000)，写入数据0xAA(1010 1010)。

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

查看HAL_I2C_Mem_Write说明可以得知，目标设备地址在调用接口之前，数据表中设备的7位地址值必须左移；即发送到从设备的数据已经右移了一位，所以0x78(0111 1000)右移一位变成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)

通过示波器抓取的波形如下所示。

• 在空闲状态，SDA和SCL都是处于高电平状态。

• 在起始状态，SDA先产生一个下降沿，之后SCL也出现一个下降沿，此时数据传输开始。

• 在传输状态，由于传输速率为100kbit/s，故SCL时钟的切换时间为5us，一个周期为10us；当SCL为1的时候，SDA不会发生改变，故检测SDA信号线的数据，当为低电平则为0，高电平则为1.

• 在读写状态，当SDA数据为0的时候，为写状态。

• 在应答状态，当SDA数据为0的时候，为应答状态。 上述为成功传输的例子，若不成功传输，设置器件地址为0x77(0111 0111)，数据地址为0x40(0100 0000)，写入数据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，故发送出去的为0x3B(011 1011),通过示波器抓取的波形如下所示。

  • 在应答状态，由于没有连接0x77地址（实际发送为0x3B）的设备，当SDA数据为1的时候，为非应答状态，之后进入复位或者停止。

审核编辑：汤梓红