I2C

ARM

在嵌入式开发中，I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种用于短距离通信的半双工同步串行通信协议，仅需两条线（数据线 SDA 和时钟线 SCL）即可实现多主多从通信。主设备通过发送时钟信号控制通信节奏，以字节为单位与从设备进行数据交换。每个从设备具有唯一地址，主设备可以通过寻址选择特定从设备进行读写。

主要特性

  • 半双工通信：I2C 使用两根信号线即可完成通信，具备半双工特性，即数据在同一时间内只能沿一个方向传输。

  • 双线连接：I2C 使用两条线进行通信：

    • SDA（数据线）：负责数据的双向传输。

    • SCL（时钟线）：提供同步信号，由主设备产生。

  • 多主多从：IIC 支持多主多从结构，多个主设备可以连接到同一条总线上，但同时只有一个主设备可以主动控制总线。

  • 从设备地址：每个从设备通过唯一的 7 位或 10 位地址被识别，主设备通过地址区分和选择要通信的从设备。

SDA 和 SCL 都是双向线，当总线空闲时，两条线都是高电平；连接到总线的设备输出极必须是开漏或者开集，以提供线与功能。

I2C 时序

IIC 的传输速率一般是 100kbps，最高可以达到 400kbps（快速模式）或更高（高速模式可达 3.4Mbps），并且遵循一定的时序约束：

  • 时钟同步：主设备通过 SCL 控制传输节奏，数据必须在 SCL 高电平时保持稳定，只有在 SCL 低电平期间数据才允许变化。
  • 确认应答（ACK/NACK）：每传输 8 位数据后，接收方在第九个时钟周期内向发送方反馈 ACK（低电平）或 NACK（高电平）以表示数据接收状态。

I2C 通信信号

起始条件

  • 主设备将 SDA 线从高电平拉至低电平，同时保持 SCL 线为高电平，表示通信开始。所有从设备都会检测到该起始信号，准备响应。

从设备地址

  • 主设备在起始信号后发送从设备的7位地址（或10位地址，取决于协议版本）并在地址后加上 1 位读写位。

    • 读写位为 0 表示写操作（主设备向从设备发送数据），为 1 表示读操作（主设备从从设备读取数据）。

  • 总线上的所有设备都接收地址信号，只有与地址匹配的从设备会响应。

应答（ACK）

  • 匹配的从设备将 SDA 线拉低，表示“应答”（ACK），通知主设备可以进行下一步。若没有从设备应答，则 SDA 保持高电平（非应答，NACK）。

数据传输

  • 数据以字节为单位传输，每字节包含 8 位。

  • 每发送完一字节数据，从设备（写操作时）或主设备（读操作时）都需要发送一个 ACK。

  • 数据传输过程中，SDA 数据线在 SCL 时钟线的高电平期间保持稳定，数据变化发生在低电平期间。

停止条件

  • 当通信结束时，主设备将 SDA 从低电平拉至高电平，同时保持 SCL 为高电平，表示通信完成。

  • 所有从设备返回待机模式，等待下一次通信。

I2C 通信过程

I2C 写入过程：

  1. 起始信号（START）
  2. 发送从设备地址 + 写标志（0）
  3. 接收从设备的应答（ACK）
  4. 发送数据字节
  5. 接收从设备的应答（ACK）
  6. 重复步骤 4 和 5，直到发送完所有数据
  7. 发送停止信号（STOP）

I2C 读取过程：

  1. 起始信号（START）
  2. 发送从设备地址 + 写标志（0）
  3. 接收从设备的应答（ACK）
  4. 起始信号（START）
  5. 发送从设备地址 + 读标志（1）
  6. 接收从设备的应答（ACK）
  7. 读取数据字节
  8. 主设备发送应答（ACK）或不应答（NACK）
  9. 重复步骤 7 和 8，直到读取完所有数据
  10. 发送停止信号（STOP）

I2C 通信规则

  • 上升沿：I2C 协议在 SCL（时钟线）上升沿捕获数据。当 SCL 线上升沿到来时，从设备或主设备读取当前 SDA（数据线）上的数据位。
  • 高电平：在 SCL 高电平期间传输数据。SDA 线上发送的数据位在 SCL 高电平时被稳定保持。
  • 下降沿：当 SCL 从高到低时，I²C 通信方可 在 SDA 上准备下一位数据。
  • 低电平：SCL 低电平期间用于 设置下一个数据位，主设备或从设备可以改变 SDA 线上的状态。

这样每次上升沿都捕获数据位，确保数据的稳定性，而下降沿或低电平则允许调整数据线上的数据。

时序图

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电路图

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实现

软件实现

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#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义 SCL 和 SDA 所在的端口和引脚
#define I2C_SCL_PORT GPIOB
#define I2C_SCL_PIN  GPIO_PIN_6
#define I2C_SDA_PORT GPIOB
#define I2C_SDA_PIN  GPIO_PIN_7

// 定义 SCL 和 SDA 的操作宏
#define I2C_SCL_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define I2C_SCL_LOW()  HAL_GPIO_WritePin(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define I2C_SDA_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define I2C_SDA_LOW()  HAL_GPIO_WritePin(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)

// 读取 SDA 状态
#define I2C_SDA_READ() HAL_GPIO_ReadPin(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN)

// 延时函数
void I2C_Delay(void) {
    for (volatile int i = 0; i < 10; i++); // 调整延时以符合时序
}

// 起始信号
void I2C_Start(void) {
    I2C_SDA_HIGH();
    I2C_SCL_HIGH();
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_LOW();  // SDA 从高到低，产生起始信号
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_LOW();  // SCL 拉低，准备传输数据
}

// 停止信号
void I2C_Stop(void) {
    I2C_SCL_LOW();
    I2C_SDA_LOW();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_HIGH();  // SCL 拉高
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_HIGH();  // SDA 从低到高，产生停止信号
    I2C_Delay();
}

// 发送应答信号
void I2C_SendNACK(void) {
    I2C_SCL_LOW();
    I2C_SDA_HIGH();  // SDA 拉高，表示非应答
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_HIGH();  // SCL 拉高，发送 NACK
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_LOW();
}

// 接收应答信号
int I2C_ReceiveACK(void) {
    I2C_SCL_LOW();
    I2C_SDA_HIGH();  // 释放 SDA，等待应答
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_HIGH();  // SCL 拉高，接收应答信号
    int ack = (I2C_SDA_READ() == GPIO_PIN_RESET);  // SDA 低电平表示 ACK，高电平表示 NACK
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_LOW();
    return ack;
}

// 发送字节
void I2C_SendByte(uint8_t data) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        I2C_SCL_LOW();
        if (data & 0x80) {
            I2C_SDA_HIGH();
        } else {
            I2C_SDA_LOW();
        }
        data <<= 1;
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_HIGH();  // SCL 拉高，发送一位数据
        I2C_Delay();
    }
    I2C_SCL_LOW();  // 一字节发送完，拉低 SCL 准备接收 ACK
}


// 接收字节
uint8_t I2C_ReceiveByte(void) {
    uint8_t data = 0;
    I2C_SDA_HIGH();  // 释放 SDA，准备接收数据
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        data <<= 1;
        I2C_SCL_LOW();
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_HIGH();  // 拉高 SCL，接收一位数据
        if (I2C_SDA_READ()) {
            data |= 0x01;
        }
        I2C_Delay();
    }
    I2C_SCL_LOW();
    return data;
}

硬件实现

问题

一、在软件时间时，高低电平的延时时间该怎么算

在软件模拟 I²C 时，延时的设置取决于目标的通信速率。

对于 100 kbps 的标准模式：

  • 每比特 10 微秒。
  • 因此，高电平和低电平每次的延时各需要 5 微秒，从而实现 10 微秒的总周期。

对于 400 kbps 的快速模式：

  • 每比特 2.5 微秒。
  • 在这种情况下，高电平和低电平每次的延时各 1.25 微秒。

在 I2C 通信协议 中，传输 一个 bit 需要一个 高电平和低电平，这是因为 SCL（时钟信号） 是控制数据传输时序的时钟线，而 SDA（数据线） 是实际传输数据的线。每传输一个 bit，SCL 的时钟周期（一个高电平和一个低电平）就用来完成数据位的传输。

二、I2C 协议为什么要专门指定为开漏输出

可能会出现这么一种情况，主设备将数据线拉高，从设备将数据线拉低，这时候如何是推挽则会造成短路，这是电路中绝不允许出现的情况，而开漏则不会有这种问题；因为他只能输出低电平，高电平要靠外部的上拉电阻进行提供；

避免电平冲突：主设备和从设备都可以安全地拉低总线电平，而不会出现高低电平冲突的情况。

总线仲裁：虽然单主单从不需要仲裁，但在通信中如果出现错误或异常，开漏设计可以让设备可靠地检测总线状态，并进行恢复。

方便扩展：即使现在是单主单从，未来可以轻松扩展成多主或多从系统，而不需要修改硬件设计。