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嵌入式学习——I2C总线通信协议

2023-05-16

目录

1.I2C协议简介

     I2C协议概述

     I2C协议的物理层

     I2C协议层

     硬件I2C

     软件模式的I2C协议

2.编程例题

     题目要求

     代码以及运行效果

3.总结

1. I2C协议简介

I2C协议概述

I2C通讯协议(Inter－Integrated Circuit)引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

实现I2C需要两根信号线完成信息交换，SCL时钟信号线，SDA数据输入/输出线。它属于同步通信，由于输入输出数据均使用一根线，因此通信方向为半双工。

I2C最少只需要两根线，和异步串口类似，但可以支持多个slave设备。一个I2C理论上最多可挂载127个设备，但除去保留地址，最多可挂载112个设备。

·和SPI不同的是，I2C可以支持multi-master系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信（master之间不可通过I2C通信，并且每个master只能轮流使用I2C总线）。

·I2C的数据传输速率位于串口和SPI之间，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。

使用I2C传输数据会有一些额外消耗：每发送8bits数据，就需要额外1bit的元数据（ACK或NACK）。

·I2C支持双向数据交换，由于仅有一根数据线，故通信是半双工的。硬件复杂度也位于串口和SPI之间，而软件实现可以相当简单。

I2C协议的物理层

它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

·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)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

·每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

·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。

·多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

·具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

I2C协议层

以主机向从机写数据为例，其基本结构如图所示，依次为：
起始信号——从机地址——读写信号——数据位——应答位——… … ——停止位

起始信号(S)：当 SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换；停止信号(P)：当 SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换。

帧地址：I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，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。

I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。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。

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

硬件I2C

I2C只需要一根数据线和一根时钟线。总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺．因此I2C总线简化了硬件电路 PCB 布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。. 因为I2C芯片除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。

 (2)I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。

软件模式I2C协议

软件模拟i2c就意味着你要用软件模拟i2c的时序，并且要随时监控i2c总线上的各种状态并作出相应的回应，如果总线上的数据交换比较频繁，那cpu基本就不能做其他事情了，否则就会丢数据。

2. 编程例题

题目要求：

编程实现：每隔2秒钟采集一次温湿度数据，并通过串口发送到上位机（win10）

实验准备：

stm32f103c8t6、ttl转接usb、AHT20温度传感器、keil、若干杜邦线。

代码以及运行效果：

下面是main函数

 

重置AHT20芯片

初始化AHT20

 

AHT20开始测量

 

其余代码这里就不一一列出了。下面是运行效果：

3. 总结

通过本次实验，我初步接触并了解到了许多关于I2C的知识。主要体现在I2C的软件和硬件两个方面。软件I2C需要随时监控状态，导致CPU时刻处于繁忙状态，而硬件I2C则是由硬件处理。但总体来说，硬件的效率要大于软件。

 

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