IIC協議解釋

IIC協議解釋

（1）概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成電路總線，該總線由NXP（原PHILIPS）公司設計，多用於主控制器和從器件間的主從通信，在小數據量場合使用，傳輸距離短，任意時刻只能有一個主機等特性。

經常ＩＩＣ和ＳＰＩ接口被認為指定是一種硬件設備，但其實這樣的說法是不盡准確的，嚴格的說他們都是人們所定義的軟硬結合體，分為物理層（四線結構）和協議層（主機，從機，時鍾極性，時鍾相位）。

ＩＩＣ，ＳＰＩ的區別不僅在與物理層，ＩＩＣ比ＳＰＩ有着一套更為復雜的協議層定義。下面來分別說明一下ＩＩＣ的物理層和協議層。

（２）ＩＩＣ的物理層

a．只要求兩條總線線路，一條是串行數據線ＳＤＡ，一條是串行時鍾線ＳＣＬ。（IIC是半雙工，而不是全雙工）。

b.每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和其它器件通信，主機/從機角色和地址可配置，主機可以作為主機發送器和主機接收器。

c.IIC是真正的多主機總線，（而這個SPI在每次通信前都需要把主機定死，而IIC可以在通訊過程中，改變主機），如果兩個或更多的主機同時請求總線，可以通過沖突檢測和仲裁防止總線數據被破壞。

d.傳輸速率在標准模式下可以達到100kb/s,快速模式下可以達到400kb/s。

e.連接到總線的IC數量只是受到總線的最大負載電容400pf限制。

一個典型的IIC接口如下圖（1）所示

圖（1）

（3）IIC的協議層

IIC的協議層才是掌握IIC的關鍵。現在簡單概括如下：

a.數據的有效性

在時鍾的高電平周期內，SDA線上的數據必須保持穩定，數據線僅可以在時鍾SCL為低電平時改變。

如圖（2）所示：

      圖（2）

b.起始和結束條件

起始條件：當SCL為高電平的時候，SDA線上由高到低的跳變被定義為起始條件，結束條件：當SCL為高電平的時候，SDA線上由低到高的跳變被定義為停止條件，要注意起始和終止信號都是由主機發出的，連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。總線在起始條件之后，視為忙狀態，在停止條件之后被視為空閑狀態，對起始條件和結束條件的描述如下圖（3）所示。

圖（3）

c.應答

每當主機向從機發送完一個字節的數據，主機總是需要等待從機給出一個應答信號，以確認從機是否成功接收到了數據，從機應答主機所需要的時鍾仍是主機提供的，應答出現在每一次主機完成8個數據位傳輸后緊跟着的時鍾周期，低電平0表示應答，1表示非應答，如圖（4）所示。

圖（4）

d.數據幀格式

 

I2 C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。

在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發送數據（T），“1”表示主機接收數據（R）。{這里小編在驅動MPU6050模塊的時候，就犯過這樣的錯誤，它寫的MPU6050從機地址是0x68,因為發送從機地址的時候，要加一位讀寫方向位，因為剛開始應該是向這個MPU6050里寫從機里某個寄存器的地址，所以應該是7位地址   0x68(1101000)+二進制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向該IIC設備里寫東西，然后再緊接着寫入IIC設備里的寄存器地址，而我直接寫入了0x68,導致出錯}，每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址。

在總線的一次數據傳輸過程中，可以有以下幾種組合方式：

[1] 

主機向從機發送數據，數據傳送方向在整個傳送過程中不變：

注：有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示 數據由從機向主機傳送。

    A 表示應答(低電平)，  A 非表示非應答（高電平）。 S 表示起始信號， P 表示終止信號。

[2]主機在第一個字節后，立即從從機讀數據:

[3]在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相：

一般情況下，[3]是比較常見的，比如MPU6050模塊，

發送起始信號

等待從機應答

寫一個從機地址+0(表示寫)，

等待從機應答

發送一個字節的MPU6050加速度存儲寄存器地址，

等待從機應答

再發送一次起始信號

等待從機應答

寫一個從機地址+1（表示讀）

等待從機應答

讀取MPU6050傳感器數據

主機非應答

e.IIC信號的模擬

主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現I2C總線的數據傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬。即使是含有IIC硬件的單片機（如stm32 103系列）也有一定的缺陷，所以一般也會模擬IIC的時序。現將具體時間截圖如下：

具體的程序代碼如下：

 

//產生起始信號
void I2C_Start(void)
{
    I2C_SDA_OUT();//配置一下引腳,引腳設置為輸出

    I2C_SDA_H;//把數據線拉高
    I2C_SCL_H;//把時鍾線拉高
    delay_us(5);//延時5微秒,要求大於4.7微秒
    I2C_SDA_L;  //拉低，產生下降沿
    delay_us(6);//這個過程大於4微秒
    I2C_SCL_L;//最后一定要把這個時鍾線拉低，因為只有時鍾線拉低的時候才允許數據        變化。
}
//產生停止信號
void I2C_Stop(void)
{
   I2C_SDA_OUT();

   I2C_SCL_L;
   I2C_SDA_L;
   I2C_SCL_H;
   delay_us(6);
   I2C_SDA_H;
   delay_us(6);
}
//主機產生應答信號ACK
void I2C_Ack(void)
{
   I2C_SCL_L;
   I2C_SDA_OUT();
   I2C_SDA_L;
   delay_us(2);
   I2C_SCL_H;
   delay_us(5);
   I2C_SCL_L;
}


//主機不產生應答信號NACK
void I2C_NAck(void)
{
   I2C_SCL_L;
   I2C_SDA_OUT();
   I2C_SDA_H;
   delay_us(2);
   I2C_SCL_H;
   delay_us(5);
   I2C_SCL_L;
}
//等待從機應答信號，我們只負責主機應答信號的產生，從機應答信號
//我們不控制。
//返回值：1 接收應答失敗
//  0 接收應答成功
u8 I2C_Wait_Ack(void)
{
    u8 tempTime=0;

    I2C_SDA_IN(); //配置為上拉輸入。
    I2C_SDA_H;  //主機釋放數據總線，等待從機產生應答信號
    delay_us(1);
    I2C_SCL_H;
    delay_us(1);
    //等待從機對數據總線的操作。低電平代表應答
    while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_I2C,I2C_SDA)) 
    {
        tempTime++;
        //這個屬於軟件延時，不一定准確。
        if(tempTime>250) //如果時間超時，沒有應答就停止。
    {
        I2C_Stop();
        return 1;  //沒有響應的話返回1.
    }  
}
    I2C_SCL_L;
    return 0; //如果有響應的話就返回0.
}
                         

　　

針對於不同的IIC設備，IIC協議可能會有一定的區別，有的地址需要左移一位，把最低位騰出來做讀寫位。