MCU常见通信总线串讲（三）—— I2C总线协议

秋名山码神

发布于 2023-11-09 01:16:51

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前言

首先明确一个概念，关于MCU中通信总线和通信协议，通信总线是一种用于连接各种外设和模块的物理接口，它可以传输数据和控制信息。通信协议则是指在通信总线上传输数据时所遵循的规则和约定，以确保不同设备之间能够正确地交换信息，我们也可以把他叫做通信总线协议。

系列文章，主要讲解以下几个总线协议，读者可以按需选择：

UART和USART
RS232、RS485总线
IIC总线
SPI总线
CAN总线
USB总线

一、I2C总线的概念

其实站在我个人开发的角度来说，I2C使用的比SPI多，他的主要概念如下：

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接微控制器和外部设备，例如传感器、存储器芯片、显示屏等。

特点：

I2C是一个支持设备的总线，多个设备共用的信号线，他支持多个主机或者多个从机
一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。数据线用来表示数据，时钟线用于同步数据的收发。
I2C总线上的从机设备，都有一个单独的地址，主机通过这个地址来实现对不同设备的访问
总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
I2C还有一个仲裁模式，即当多个从机都传输数据的时候，为了防止数据冲突，会产生仲裁，决定哪个设备来使用总线
具有3种传输模式：标准模式传输速率为100kbps，快速模式为400kbps，高速模式可达3.4Mbps，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400p F限制。

二、 I2C的协议层

I2C协议层规定了在I2C通信中需要遵循的一些基本规则和标准，其中包括以下内容：

物理层规定：
- 定义了I2C总线的物理结构、传输介质（通常是双绞线）、电气特性（如电压电平、上拉电阻）等。
- 规定了起始条件（Start condition）和停止条件（Stop condition）的时序和电平要求。

通信的起始和停止：

起始（S）和停止（P）信号是两种特殊的状态，SCL线是高电平时SDA线从高电平向低电平切换，表示通信的起始。当SCL是高电平时SDA线由低电平向高电平切换，表示通信的停止。

数据链路层规定：
- 定义了数据帧的格式，包括地址帧和数据帧的组成结构。
- 规定了主设备和从设备之间的地址识别机制，包括7位或10位地址模式的规定。

I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通信时，通过SDA信号线发送设备地址（SLAVE_ADDRESS）来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。

时序规定：
- 规定了时钟脉冲的频率、数据传输的时序要求，以确保通信的稳定性和可靠性。
- 定义了如何进行数据的读取和写入，包括数据的传输顺序和速率的限制。

主机写数据到从机

主机读数据在从机

复和形式 读和写数据除了基本的读写，I2C通信更常用的是复合格式，该传输过程有两次起始信号（S）。一般在第1次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址（注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别）；在第2次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第1次通信是告诉从机读写地址，第2次则是读写的实际内容。

错误处理规则：
- 规定了在通信过程中出现错误时的处理方式，例如发生冲突、丢失数据等情况应当如何处理。

SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

多点连接规定：
- 规定了多个从设备共享同一条总线时的地址分配和冲突解决机制。
高级功能规定：
- 例如10位地址模式、扩展寄存器等高级功能的使用规范。

有了这些规定，每个厂家生产出来支持I2C的东西也可实现互通

三、STM32 I2C实战

#include "I2C.h"


#define SCL_H         GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_8
#define SCL_L         GPIOB->BRR  = GPIO_Pin_8 

#define SDA_H         GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_9
#define SDA_L         GPIOB->BRR  = GPIO_Pin_9 

#define SCL_read      GPIOB->IDR  & GPIO_Pin_8
#define SDA_read      GPIOB->IDR  & GPIO_Pin_9 

static void I2C_delay(void)
{
    volatile int i = 7;
    while (i)
        i--;
}

static bool I2C_Start(void)
{
    SDA_H;
    SCL_H;
    I2C_delay();
    if (!SDA_read)
        return false;
    SDA_L;
    I2C_delay();
    if (SDA_read)
        return false;
    SDA_L;
    I2C_delay();
    return true;
}

static void I2C_Stop(void)
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_L;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SDA_H;
    I2C_delay();
}

static void I2C_Ack(void)
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_L;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SCL_L;
    I2C_delay();
}

static void I2C_NoAck(void)
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_H;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    SCL_L;
    I2C_delay();
}

static bool I2C_WaitAck(void)
{
    SCL_L;
    I2C_delay();
    SDA_H;
    I2C_delay();
    SCL_H;
    I2C_delay();
    if (SDA_read) {
        SCL_L;
        return false;
    }
    SCL_L;
    return true;
}

static void I2C_SendByte(uint8_t byte)
{
    uint8_t i = 8;
    while (i--) {
        SCL_L;
        I2C_delay();
        if (byte & 0x80)
            SDA_H;
        else
            SDA_L;
        byte <<= 1;
        I2C_delay();
        SCL_H;
        I2C_delay();
    }
    SCL_L;
}

static uint8_t I2C_ReceiveByte(void)
{
    uint8_t i = 8;
    uint8_t byte = 0;

    SDA_H;
    while (i--) {
        byte <<= 1;
        SCL_L;
        I2C_delay();
        SCL_H;
        I2C_delay();
        if (SDA_read) {
            byte |= 0x01;
        }
    }
    SCL_L;
    return byte;
}

void i2cInit(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio;
	//已更改
	  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);    
    gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
    gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_Init(GPIOB, &gpio);

}

bool i2cWriteBuffer(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t * data)
{
    int i;
    if (!I2C_Start())
        return false;
    I2C_SendByte(addr << 1 | I2C_Direction_Transmitter);
    if (!I2C_WaitAck()) {
        I2C_Stop();
        return false;
    }
    I2C_SendByte(reg);
    I2C_WaitAck();
    for (i = 0; i < len; i++) {
        I2C_SendByte(data[i]);
        if (!I2C_WaitAck()) {
            I2C_Stop();
            return false;
        }
    }
    I2C_Stop();
    return true;
}
/
int8_t i2cwrite(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t * data)
{
	if(i2cWriteBuffer(addr,reg,len,data))
	{
		return TRUE;
	}
	else
	{
		return FALSE;
	}
	//return FALSE;
}
int8_t i2cread(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t *buf)
{
	if(i2cRead(addr,reg,len,buf))
	{
		return TRUE;
	}
	else
	{
		return FALSE;
	}
	//return FALSE;
}
//
bool i2cWrite(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data)
{
    if (!I2C_Start())
        return false;
    I2C_SendByte(addr << 1 | I2C_Direction_Transmitter);
    if (!I2C_WaitAck()) {
        I2C_Stop();
        return false;
    }
    I2C_SendByte(reg);
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(data);
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
    return true;
}

bool i2cRead(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t *buf)
{
    if (!I2C_Start())
        return false;
    I2C_SendByte(addr << 1 | I2C_Direction_Transmitter);
    if (!I2C_WaitAck()) {
        I2C_Stop();
        return false;
    }
    I2C_SendByte(reg);
    I2C_WaitAck();
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(addr << 1 | I2C_Direction_Receiver);
    I2C_WaitAck();
    while (len) {
        *buf = I2C_ReceiveByte();
        if (len == 1)
            I2C_NoAck();
        else
            I2C_Ack();
        buf++;
        len--;
    }
    I2C_Stop();
    return true;
}

uint16_t i2cGetErrorCounter(void)
{
    // TODO maybe fix this, but since this is test code, doesn't matter.
    return 0;
}