IIC协议解释

（1）概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，该总线由NXP（原PHILIPS）公司设计，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。

经常ＩＩＣ和ＳＰＩ接口被认为指定是一种硬件设备，但其实这样的说法是不尽准确的，严格的说他们都是人们所定义的软硬结合体，分为物理层（四线结构）和协议层（主机，从机，时钟极性，时钟相位）。

ＩＩＣ，ＳＰＩ的区别不仅在与物理层，ＩＩＣ比ＳＰＩ有着一套更为复杂的协议层定义。下面来分别说明一下ＩＩＣ的物理层和协议层。

（２）ＩＩＣ的物理层

a．只要求两条总线线路，一条是串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ。（IIC是半双工，而不是全双工）。

b.每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信，主机/从机角色和地址可配置，主机可以作为主机发送器和主机接收器。

c.IIC是真正的多主机总线，（而这个SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏。

d.传输速率在标准模式下可以达到100kb/s,快速模式下可以达到400kb/s。

e.连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制。

一个典型的IIC接口如下图（1）所示

图（1）

（3）IIC的协议层

IIC的协议层才是掌握IIC的关键。现在简单概括如下：

a.数据的有效性

在时钟的高电平周期内，SDA线上的数据必须保持稳定，数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。

如图（2）所示：

      图（2）

b.起始和结束条件

起始条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由高到低的跳变被定义为起始条件，结束条件：当SCL为高电平的时候，SDA线上由低到高的跳变被定义为停止条件，要注意起始和终止信号都是由主机发出的，连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。总线在起始条件之后，视为忙状态，在停止条件之后被视为空闲状态，对起始条件和结束条件的描述如下图（3）所示。

图（3）

c.应答

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，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，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，如图（4）所示。

图（4）

d.数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。{这里小编在驱动MPU6050模块的时候，就犯过这样的错误，它写的MPU6050从机地址是0x68,因为发送从机地址的时候，要加一位读写方向位，因为刚开始应该是向这个MPU6050里写从机里某个寄存器的地址，所以应该是7位地址   0x68(1101000)+二进制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向该IIC设备里写东西，然后再紧接着写入IIC设备里的寄存器地址，而我直接写入了0x68,导致出错}，每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

在总线的一次数据传输过程中，可以有以下几种组合方式：

[1] 主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。

    A表示应答(低电平)， A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。

[2]主机在第一个字节后，立即从从机读数据:

[3]在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相：

一般情况下，[3]是比较常见的，比如MPU6050模块，

发送起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+0(表示写)，

等待从机应答

发送一个字节的MPU6050加速度存储寄存器地址，

等待从机应答

再发送一次起始信号

等待从机应答

写一个从机地址+1（表示读）

等待从机应答

读取MPU6050传感器数据

主机非应答

e.IIC信号的模拟

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。即使是含有IIC硬件的单片机（如stm32 103系列）也有一定的缺陷，所以一般也会模拟IIC的时序。现将具体时间截图如下：

具体的程序代码如下：

起始信号

//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();     //sda线输出
    IIC_SDA=1;        
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
    delay_us(4);
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}   

停止信号

//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();//sda线输出
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
    delay_us(4);
    IIC_SCL=1; 
    IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    delay_us(4);                                
}

有效应答

//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}

无效应答

//不产生ACK应答          
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}  

发送单字节

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答           
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();      
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1;      
        delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;  
        delay_us(2);
    }    
} 

接收单字节

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
    unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
        IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
        delay_us(1); 
    }                    
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

EEPROM

24C02为IIC接口，容量为256字节。

封装如下图：

管脚定义：

设备地址的高四位固定，中间为地址线定义的地址，最后一位为读写位。 

由于A0,A1,A2设置为0，所以 

读的时候：Device Address = 0xA1; 

写的时候：Device Address = 0xA0;

24C02字节写时序

起始信号

写设备地址，Device Address = 0xA0;

等待应答

确定写入的EEPROM地址即WORD ADDRESS

等待应答

向SDA数据线上写入数据DATA

等待应答

停止信号

//在AT24CXX指定地址写入一个数据
//WriteAddr  :写入数据的目的地址    
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{                                                                                            
    IIC_Start();  
    if(EE_TYPE>AT24C16)
    {
        IIC_Send_Byte(0XA0);        //发送写命令
        IIC_Wait_Ack();
        IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址   
    }else IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1));   //发送器件地址0XA0,写数据   
    IIC_Wait_Ack();    
    IIC_Send_Byte(WriteAddr%256);   //发送低地址
    IIC_Wait_Ack();                                                        
    IIC_Send_Byte(DataToWrite);     //发送字节                             
    IIC_Wait_Ack();                    
    IIC_Stop();//产生一个停止条件 
    delay_ms(10);    
}

24C02字节读时序

起始信号

写设备地址，Device Address = 0xA0;

等待应答

确定写入的EEPROM地址即WORD ADDRESS

等待应答

起始信号

读设备地址，Device Address = 0xA1;

等待应答

读SDA上数据

等待应答

停止信号

//在AT24CXX指定地址读出一个数据
//ReadAddr:开始读数的地址  
//返回值  :读到的数据
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{                 
    u8 temp=0;                                                                               
    IIC_Start();  
    if(EE_TYPE>AT24C16)
    {
        IIC_Send_Byte(0XA0);       //发送写命令
        IIC_Wait_Ack();
        IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//发送高地址      
    }else IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1));   //发送器件地址0XA0,写数据      
    IIC_Wait_Ack(); 
    IIC_Send_Byte(ReadAddr%256);   //发送低地址
    IIC_Wait_Ack();     
    IIC_Start();           
    IIC_Send_Byte(0XA1);           //进入接收模式            
    IIC_Wait_Ack();  
    temp=IIC_Read_Byte(0);         
    IIC_Stop();//产生一个停止条件       
    return temp;
}