【IIC】IIC通信协议-51单片机程序分析

视频讲解

一、简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

PS：这里要注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI

【IIC】IIC通信协议-51单片机程序分析

IIC一共有只有两个总线：一条是双向的串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ

SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的

SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟也就是控制数据发送的时序的

二、主要特性

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（即控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。
IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）
SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。
IIC是半双工，而不是全双工，同一时间只可以单向通信
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。这一点在等下我们会讲解

三、硬件结构

总线结构

IIC使用两根信号线进行通信，要求两根线都使用 开漏输出接上拉电阻 的配置，以此实现总线上所有节点SDA、SCL信号的线与逻辑关系。
R_p电阻的取值有一定的要求，太小会导致灌入电流过大，使’低’数据不稳定，甚至损坏端口；太大会导致信号上升缓慢，使得数据传输出错。在不同应用场景及供电电压下有不同的取值要求。

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IIC的高阻态

漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻

高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态。逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路。电路分析时高阻态可做开路理解。

我们知道IIC的所有设备是接在一根总线上的，那么我们进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那么这时候其余的空闲设备可能会受到总线干扰，或者干扰到总线，怎么办呢？

为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉，而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路，整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

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IIC器件地址

每一个IIC器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设定好了，用户不可以更改,比如OV7670的地址为0x42。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定为1010，后三个地址是由硬件链接确定的，所以一IIC总线最多能连8个EEPROM芯片。

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四、工作时序

1.开始和结束信号

开始信号（START/S）： SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，等待一小段时间，SCL变为低电平。

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : iic_start
* 函数功能		 : 产生IIC起始信号
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void iic_start(void)
{
	IIC_SDA=1;//如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题
	usleep(1);
	IIC_SCL=1;
	usleep(1);
	IIC_SDA=0;	//当SCL为高电平时，SDA由高变为低
	usleep(1);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
	usleep(1);
}

结束信号（STOP/P）：SCL保持高电平。SDA由低电平变为高电平。

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_stop
* 函数功能		   : 产生IIC停止信号   
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_stop(void)
{	
	IIC_SDA=0;//如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题
	usleep(1);
	IIC_SCL=1;
	usleep(1);
	IIC_SDA=1;	//当SCL为高电平时，SDA由低变为高
	usleep(1);			
}

在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。【IIC】IIC通信协议-51单片机程序分析

3.应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

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4.数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

SCL=1 时数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

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每发送一个字节（8个bit）在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

主机发送数据，从机接收时，ACK信号由从机发出。当在SCL第9位时钟高电平信号期间，如果SDA仍然保持高电平，则主机可以直接产生STOP条件终止以后的传输或者继续ReSTART开始一个新的传输
从机发送数据，主机读取数据时，ACK信号由主机给出。主机响应ACK表示还需要再接收数据，而当主机接收完想要的数据后，通过发送NACK告诉从机读取数据结束、释放总线。随后主机发送STOP命令，将总线释放，结束读操作。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答

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/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_ack
* 函数功能		   : 产生ACK应答  
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;	//SDA为低电平
	usleep(1);
   	IIC_SCL=1;
	usleep(1);
	IIC_SCL=0;
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_nack
* 函数功能		   : 产生NACK非应答  
* 输    入         : 无
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_nack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=1;	//SDA为高电平
	usleep(1);
  IIC_SCL=1;
	usleep(1);
	IIC_SCL=0;	
}

等待应答信号：

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_wait_ack
* 函数功能		   : 等待应答信号到来   
* 输    入         : 无
* 输    出         : 1，接收应答失败
        			 0，接收应答成功
*******************************************************************************/
uchar iic_wait_ack(void)
{
	uchar time_temp=0;
	
	IIC_SCL=1;
	usleep(1);
	while(IIC_SDA)	//等待SDA为低电平
	{
		time_temp++;
		if(time_temp>100)//超时则强制结束IIC通信
		{	
			iic_stop();
			return 1;	
		}			
	}
	IIC_SCL=0;
	return 0;	
}

4. 字节格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK，此时才认为一个字节真正的被传输完成，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。【IIC】IIC通信协议-51单片机程序分析

5. 7-bit 设备的数据传输

一个完整的7-bit通信过程如图所示：

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在START信号后八位设备地址=7位从机地址+读/写地址，结构如下图：

再给地址添加一个方向位位用来表示接下来数据传输的方向，

0表示主设备向从设备(write)写数据，
1表示主设备向从设备(read)读数据

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发送完这个字节之后，主机释放SDA总线等待从机给出ACK应答。如果从机给出了ACK应答，表示从机地址正确（有从机响应）并且已知晓是读还是写，便可以开始读写数据。如果从机没有给出ACK应答，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或是设备正在忙碌）或无法解析收到的数据，如果是这样，则由主机来决定如何处理（STOP或ReSTART）。

IIC发送一个字节数据：

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_write_byte
* 函数功能		   : IIC发送一个字节 
* 输    入         : dat：发送一个字节
* 输    出         : 无
*******************************************************************************/
void iic_write_byte(uchar dat)
{                        
    uchar i=0; 
	   	    
    IIC_SCL=0;
    for(i=0;i<8;i++)	//循环8次将一个字节传出，先传高再传低位
    {              
        if((dat&0x80)>0) 
			IIC_SDA=1;
		else
			IIC_SDA=0;
        dat<<=1; 	  
		usleep(1);  
		IIC_SCL=1;
		usleep(1); 
		IIC_SCL=0;	
		usleep(1);
    }	 
}

IIC读取一个字节数据：

/*******************************************************************************
* 函 数 名         : iic_read_byte
* 函数功能		   : IIC读一个字节 
* 输    入         : ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK 
* 输    出         : 应答或非应答
*******************************************************************************/
uchar iic_read_byte(uchar ack)
{
	uchar i=0,receive=0;
   	
    for(i=0;i<8;i++ )	//循环8次将一个字节读出，先读高再传低位
    {
      IIC_SCL=0; 
      usleep(1);
      IIC_SCL=1;
      receive<<=1;
      if(IIC_SDA)receive++;   
      usleep(1); 
    }					 
    if (!ack)
        iic_nack();
    else
        iic_ack();  
		  
    return receive;
}

6.主机写-从机收，传输方向不变

主机对从机发送数据时，主机对从机发送一个开始字节，然后即可一直发送数据。以示例来讲解，其第一帧数据为要操作的寄存器地址，所以为：“[1-Byte]开始字节(写) + [1-Byte]寄存器地址 + [1-Byte]寄存器数据”。

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主机要向从机写数据时：

主机首先产生START信号
然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)
主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器
这时候主机等待从机的应答信号(A)
当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址，继续等待从机的应答信号
当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号，
主机产生停止信号，结束传送过程。

7.主机读-从机发，传输方向改变

主机对向从机读取数据时，方式同发送数据有所不同，要多一次通信过程。
主机需要先向从机发送一次信号，告诉从机”我要读取数据“，然后重开一次通信，等待从机主动返回数据。以示例来讲解，发送 “[1-Byte]开始字节(写) + [1-Byte]要读取的寄存器的地址”，之后结束通信，或者重开始，来进入到第二次通信中，先发送 [1-Byte]开始字节(读)，然后等待读取从机发送过来的 [1-Byte]数据即可。

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主机要从从机读数据时

主机首先产生START信号
然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，
这时候主机等待从机的应答信号(ACK)
当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，
当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，
这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据
主机进而产生停止信号，结束传送过程。

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二、主要特性

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总线结构

IIC的高阻态

IIC器件地址

四、工作时序

1.开始和结束信号

3.应答信号

4.数据有效性

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7.主机读-从机发，传输方向改变

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