I2C通讯协议详解：SDA/SCL的工作原理与应用
I2C通讯协议详解：SDA/SCL的工作原理与应用
I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种两线式串行总线，主要用于微控制器（MCU）和外围设备（从设备）之间的通信。它采用一主多从的总线结构，每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一I2C总线上的其他设备。连接到I2C总线上的设备既可以用作主设备，也可以用作从设备。物理I2C接口包含两根双向线：串行时钟线（SCL）和双向串行数据线（SDA），用于发送和接收数据。通信由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输。SDA负责在设备间传输串行数据，SCL负责产生同步时钟脉冲。
一、基础介绍
调用I2C时序，主要在调用数据写入write_I2C和数据读取read_I2C的机制。I2C主要实现数据的传输，使主机和从机的相互响应。它有一种数据传送机制。总结起来为：起始信号，终止信号、应答信号，读字节，写字节，数据读取和数据写入。
I2C基本架构：
Start_I2C
Stop_I2C
readack 读取应答信号
sendack and sendnack 输出应答或非应答
sendbyte
readbyte
write_I2C
read_I2C
二、I2C通信协议详解
SDA和SCL变化情况：
所有数据传输均起始于一个start，终于一个stop.
Start_I2C定义：SCL为高时，SDA从高到低转换；
Stop_I2C定义：SCL为高时，SDA从低到高转换；
数据有效性：SCL为高时，SDA的数据必须稳定；
只有SCL变低时，SDA的状态才能跳变。
1. 空闲状态
SCL和SDA接上拉电阻，默认高电平，表示总线是空闲状态
2. 主从设备
主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化/终止化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。
从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令的接收。且同步时钟信号只能由主设备产生。
3. 起始信号和结束信号
（1） I2C的起始位
void I2C_sendStart() //开始位
{
SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/
SCL=1;
SDA=0; /*发送起始信号*/
Delay_us(1);
SCL=0;
}
（2）I2C的结束位
Void sendstop()
{
SCL=0;
SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/
SCL=1;
while(SCL!=1) { };
Delay_us(1);
SDA=1; Delay_us(1);
}
4. 数据有效性
I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为控制命令（START或STOP，也就是前面的起始信号和停止信号）。
从机地址发送完后可能会发送一些指令，依从机而定，然后开始传输数据，由主机或者从机发送，每个数据为8位，数据的字节数没有限制。在开始信号之后，SDA和SCL先都处于低电平，当要传输数据时SDA先为高，之后SCL再跳变为高，才可进行数据的传输：
5. 应答信号
当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功；
当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功。
接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节(8位)数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。
(1)、接收数据需向发送方发送应答:
void IIC_ack(u8 ack)
{
// 数据线设置为输出
SCL = 0;
delay_us(5);
if(ack)
SDA = 1; // 无效应答
else
SDA = 0; // 有效应答
delay_us(5);
SCL = 1;
// 保持数据稳定
delay_us(5);
// 拉低SCL开始传输数据
SCL = 0;
}
(2)、发送数据需等待接收方的应答：
// 等待ACK 1-无效 0-有效
u8 IIC_wait_ack(void)
{
u8 ack = 0;
// 数据线设置为输入
// 拉高时钟线
SCL = 1;
delay_us(5);
// 获取数据线的电平
if(SDA)
{ // 无效应答
ack = 1;
IIC_stop();
}
else
{ // 有效应答
ack = 0;
// 拉低SCL开始传输数据
SCL = 0;
delay_us(5);
}
return ack;
}
三、I2C通信实现方式
1. 硬件I2C
即使用I2C控制器实现，使用芯片上的I2C外设，它有相应的I2C驱动电路，有专用的I2C引脚，调用I2C的控制函数即可，无需用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现I2C协议，只需要将I2C协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是若出现问题，只能通过示波器看波形找问题。
2. 模拟I2C
通过使用任意IO口去模拟实现I2C通信协议，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟I2C协议的时序，实现I2C信号和数据传输。
3. 数据读取和写入的示例：
Write_I2C：start->slave address+0+ACK+数据包（byte+ack+…+byten+Nack）+stop
Read_I2C：start->slave address+1+ACK+数据包（byte+ack+…+byten+Nack）+stop
注意：关于slave address是7位的一个字节，write是0位，read是1位；
示例：
slave address为50H（1010000）
则写地址在其后加一位0，即变成（10100000），为A0
读地址在其后加一位1，即变成（10100001），为A1;
具体为:
当总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态，
当主机要和某个从机通讯时：
❶发送一个开始条件，
❷发送从机地址和读写控制位，
❸传输数据及数据传输结束时，
❹主机会发送停止条件。
write_I2C
{
Start_I2C;
sendbyte();//传送地址与写入标记
readack;
sendbyte();//传送字节
readack;
Stop_I2C;
}
read_I2C
{
Start_I2C;
sendbyte();//传送地址与读取标记
readack;
readbyte();//读取字节
sendack and sendnack
Stop_I2C;
}
4. 应用示例
Define address:根据芯片规格书定义读写地址
设置端口：SDA/SCL/INT
缓存buffer: 主控端的写入和读取资料缓存
(1)读取I2C的应答标志位
Unsigned char readACK() //读取应答信号
{
SCL=0;
SDA=1; /*此处为释放SDA 总线，由从从机发出低电平应答*/
_nop_();
SCL=1;
_nop_();
if(SDA)
return 1; //no ACK
else
return 0; //ACK
}
(2)主控端送出应答信号
void sendACK() //输出应答信号
{
SCL=0;
SDA=0;
_nop_();
SCL=1;
}
void sendNOACK() //输出无应答信号
{
SCL=0;
SDA=1;
_nop_();
SCL=1;
}
(3)主控端写入一个字节到从机
void sendByte(uchar dat) //写一个字节
{
uchar i;
for(i=0;i<8;i++)
{
SCL=0; /*钳住I2C 总线，准备发送数据 */
if(dat&0x80)
SDA=1;
else
SDA=0;
_nop_();
_nop_();
SCL=1;
dat<<=1;
}
}
(4)主控端对从机读取一个字节
uchar readByte() //读一个字节
{
uchar i, dat=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
SCL=0;
SDA=1;
_nop_();
dat<<=1;
SCL=1;
if(SDA==1)
dat|=0x01;
}
return dat;
}
(5)主控端数据写入
bit writeIIC(uchar addrW, uchar *writeData, uchar length)
{
uchar i;
bit ACK;
sendStart();
sendByte(addrW); //传送地址与写入标记
ACK = readACK();
if (ACK)
{
sendStop(); //地址不正确或装置未连接，送出停止信号
return ACK;
}
for(i = 0; i<length; i++)
{
sendByte(writeData[i]);
ACK = readACK();
if (ACK)
{
sendStop(); //未接收到ACK，送出停止信号
return ACK;
}
}
sendStop(); //资料写入完成，送出停止信号
return ACK;
}
(6)主控端对从机数据读取
bit readIIC(uchar addrR, uchar *readData, uchar length)
{
uchar i;
bit ACK;
sendStart();
sendByte(addrR); //传送地址与读取标记
ACK = readACK();
if (ACK)
{
sendStop(); //地址不正确或装置未连接，送出停止信号
return ACK;
}
for(i = 0; i<length; i++)
{
readData[i] = readByte();
if(i<length-1)
sendACK();
else
sendNOACK(); //读取最后一笔资料，送出No ACK
}
sendStop(); //资料读取完成，送出停止信号
return ACK;
}
(7)调用数据写入和读取
writeIIC(address_W, &Write_Buffer,4);
readIIC(address_R, &Read_Buffer, 5);