【自学嵌入式：51单片机】I2C通信
所有自学嵌入式：51单片机系列的操作相关器件的代码都汇总到了：https://gitee.com/qin-ruiqian/Qin51
I2C总线
I2C总线（读作I方C总线），全称Inter-Integrated Circuit，它是由飞利浦公司研发的二线制、多主多从、双向、同步、半双工、带数据应答的串行总线。I2C通信就是利用I2C总线进行数据传输，通用的I2C总线可以使各种设备的通信标准统一，对于厂家来说，使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性，对于应用者来说，使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议，降低了学习和应用的难度。
两线制
只需要两个引脚进行数据传输
设备间能发送数据，主要是通过SDA这个数据引脚传输，传低电平把SDA拉低，传高电平就是把SDA拉高
用时钟信号SCL引脚控制传输的节拍。
多主多从
多主多从是指在这一个I2C总线上可以有多个主机和多个从机
当然也可以一主一从或者一主多从
主机多为控制芯片（单片机），从机多为显示设备或传感器等
主机是可以发出命令的设备，从机是能接收命令的设备
通信规则：
- 任何时刻，从机只接收一个主机的命令；
- 多主机情况下，从机优先接收最先发送命令的主机的命令；
- 为了区分命令发给谁，每个设备都有自己的地址，即每个设备都有设备ID。
双向
双向是指，主机可以向从机发送数据，也可以接收从机发来的数据，从机可以接收主机发来的数据，也可以向主机发送数据，传输数据的方向是双向的
同步通信
I2C通信通过设备的SCL引脚传递时钟信号，对数据传输进行同步
半双工
数据传送虽然是双向，但是数据线就一根，需要分时传送，即任何时刻只能有一个方向的数据传输
串行通信
传输数据时是一位一位从高位开始从高到底传输，也就是发送一个字节，首先发送的是这个字节对应的最高位二进制，接收一个字节也是同理
I2C通信数据传输流程
一次完整的I2C通信包括：（1）启动信号；（2）发送地址位和读写位（放在一个字节里面发送）；（3）接收应答位；（4）发送数据（接收数据）；（5）接收（发送）应答位；（6）停止信号
启动信号
每一次I2C通信，先以一个启动信号开始，I2C通信有固定的启动信号，在程序中只要按具体时序图要求发送启动信号。
如上图，也就是SDA下降沿，SCL高电平。
地址位和读写位
靠地址位找到对应的通信设备，也称为寻址，每个从机都有一个固定的器件地址，有7位的，有10位的，下面只介绍7位的地址，每次通信设备的地址要设定准确。
比如olde屏幕，通常是主机对其进行写操作，读写位置0，其他7位记录要通信的设备地址
应答信号
主机在发送为地址位和读写位后，就会等待接收一位数据，根据这个数据判断从机是否正确地应答了，数据0表示接收数据成功，即正确应答，数据1表示未成功接收，即非应答。
主机接收完数据同样要给从机发送应答信号，也是数据0表示接收数据成功，即正确应答，数据1表示未成功接收，即非应答。
发送数据
依次将一个字节8位二进制从高位到低位发送
停止信号
SCL高电平，SDA上升沿，一次I2C通信完成就要以停止信号结束
按读和写两种模式来看I2C通信
按读和写两种不同模式，I2C通信过程也有所不同
写模式：
读模式：
当从机内部也有不同寄存器代表不同功能时，就需要区分，发布的数据是要写入哪个寄存器的，在发送完地址位和读写位并收到应答位后，要先发送内部寄存器的地址，仍然是将地址以一个8位数据发送过去，收到应答后，收到应答后，再继续发送要写入到这个寄存器的数据
I2C电路规范
- 所有I2C设备的SCL连接在一起，SDA连在一起
- 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
- SCL和SDA各添加一个上拉电阻，组织一般为4.7kΩ左右
- 开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题。
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开漏输出，输出高电平的时候相当于引脚断开，CPU想要和其中一个设备通信，最好的状态是其他的设备别影响当前通信的设备，开漏输出相当于把其他设备断开。
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在外面接两个电阻增强上拉能力，相当于CPU想发送0的时候拉到低电平，想发1的时候松手就不拉了，然后会被外部的电阻自动给拉到高电平
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SCLK IN是SCLK的检测模式，它的输入阻抗很大，相当于断开，它相当于电压表，检测SCLK点的电压，SCLKN1 OUT是MOS管（电子开关），给低电平导通，给高电平断开，就相当于发0需要手动拉成0，发完0自动缩回1，如下图两个小人通过木杆子通信
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如果有多个设备，主机通过发送对应设备地址，让对应的通信设备知道要和主机通信了
【注】开漏输出像个 "单方向开关"，只能把信号拉低，想输出高电平得靠外部电路帮忙；推挽输出像 "双向开关"，自己既能把信号拉高也能拉低，不用麻烦外部电路。
I2C数据帧
发送一帧数据
S是开始信号，P是停止信号
S之后一定要发从机地址+读写位（一共8位一个字节）
然后接收应答信号
最后是一个字节+接收一个应答信号，一直到传输完成
接收一帧数据
S是开始信号，P是停止信号
S之后一定要发从机地址+读写位（一共8位一个字节）
然后发送应答信号
最后是一个字节+发送一个应答信号，一直到接收完成
复合格式（先发送再接收数据帧）
把发数据帧的停止信号去掉，直接拼接到接收数据帧中即可，发送的部分可能是一大堆指令，最后再接收
I2C通信总结
代码实现
（提前说明：江科大版本没有延迟，沈建大这个版本有延迟，这是因为有延迟这个版本按照波特率100K去发送，并且便于移植）
I2C通信的波特率是100K，也就是每秒传送10万个位，取倒数，一位传送实际是10微秒，也就是SCL的时钟周期不能小于10微秒
也就是它的高电平和低电平的总时长不能小于10微秒
所以平均一下就是高电平和低电平的时间都不要小于5微秒
我这个板子的晶振是11.0592Mhz，一个机器周期是正好的1微秒，Delay函数中四个空语句，恰好是4个机器周期，也就是4微秒，在程序中利用这一语句实现传输速率的调整
//I2C通信专用延时程序
void delayI2C()
{
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
发送启动信号
//初始化I2C通信
void initI2C()
{
//先都拉高成高电平
SCL = 1;
SDA = 1;
//下降沿
delayI2C();
SDA = 0;
//保证不会产生额外的时序，SCL最后也拉低
delayI2C();
SCL = 0;
}
【注】REGX52.H并没有包含SCL SDA位，要看对应的通信的模块的引脚和单片机引脚的连接
发送停止信号
SCL先高电平，SDA上升沿
//关闭I2C通信
void closeI2C()
{
//先都拉低
SCL = 0;
SDA = 0;
delayI2C();
SCL = 1; //先拉高SCL
delayI2C();
SDA = 1; //SCL高电平期间，再拉高SDA，这样就产生了一个上升沿
delayI2C();
}
发送数据
发送数据的规则就是，在SCL低电平期间，将要传送的数据位放到SDA线上，然后拉高SCL，从机在SCL高电平期间，读取SDA线上的数据依次循环8次就可以将一个字节的数据传送出去，SCL高电平期间SDA不允许有数据变化。
//I2C写入一个字节，I2C_Byte是待传送的数据
void writeByteI2C(unsigned char I2C_Byte)
{
unsigned char i = 0;
for(i = 0; i<8; i++)
{
//I2C_Byte & 0x80(1000 0000)
//获取最高位，看是1还是0
if(I2C_Byte & 0x80)
{
SDA = 1;
}
else
{
SDA = 0;
}
delayI2C();
SCL = 1;
delayI2C();
SCL = 0;
I2C_Byte <<= 1; //左移，循环读取每一位，让每一位都成为首位
}
}
接收数据
SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）。
// I2C读一个字节
unsigned char readByteI2C()
{
unsigned char i, Byte = 0x00;
for(i = 0; i<8; i++)
{
SDA = 1; //拉高SDA，释放I2C总线，控制权交给从机
//读总线之前一定要将SDA拉高
SCL = 1; //然后将SCL拉高，准备接收SDA状态
delayI2C();
if(SDA)
{
Byte |= (0x80>>i); //依次循环右移，得到一个字节（0x00分别或每一位得到，如果是低电平，不需要操作，该位就是0）
}
SCL = 0;
}
return Byte;
}
接收应答信号
在发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
//读取I2C总线应答信号
bit readAckI2C()
{
bit Ack_bit; //应答信号
SDA = 1; //拉高SDA，释放I2C
delayI2C();
SCL = 1; // 把SCL拉高，第9个时钟信号
delayI2C();
Ack_bit = SDA; //读取应答信号
delayI2C();
SCL = 0; //拉低SCL，结束接收应答
return Ack_bit;
}
发送应答信号
主机在接收完一个字节后，会给从机发送应答信号，主机成功接收，会在数据线SDA发送0，接收失败会发送1
//I2C发送应答位
void writeAckI2C(bit Ack_bit)
{
//根据应答状态变量来确定SDA是1还是0
if(Ack_bit)
{
SDA = 1;
}
else
{
SDA = 0;
}
//第9个时钟周期
//拉高SCL，再拉低SCL，完成一次发送应答信号
SCL = 1;
SCL = 0;
}
浙公网安备 33010602011771号