4.8　I ² C总线

I ² C总线（Inter-Integrated Circuit Bus）是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的元器件之间传送信息。某些书籍或者文档中也写作IIC，读作“I方C”。

I ² C是嵌入式中最常见的总线，也是最重要的总线通信协议之一。很多传感器、外围芯片使用I ² C协议。它具有如下特点：

（1）硬件线路简单：I ² C总线只需要一根数据线和一根时钟线共两根线。

（2）灵活：数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的元器件增加和删除不影响其他元器件正常工作。

（3）可以连接设备数量多：连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制。

4.8.1　I ² C元器件地址

I ² C总线是一个主从结构的总线，所有的数据传输都必须由主机发起，通常单片机做主机，其他连接在I ² C总线的设备称之为从机或者元器件。

I ² C还有一个重要的概念：元器件地址。连接在I ² C总线上的设备，除了主机之外，每个元器件都有自己的地址。主机想要和某个元器件通信时，先往I ² C总线发送元器件地址。

I ² C元器件地址一般为8位，最后一位是读写标志位。0表示主机要读取元器件的数据；1表示主机要往元器件写数据。

4.8.2　I ² C时序

I ² C总线只需要两根线，分别是时钟线（SCL）、数据线（SDA）。其中时钟线提供时间周期，时间周期越短则数据传输速率越快。数据线用来传输起始位、应答位和数据等。时序如图4.34所示。

数据格式主要有起始位、停止位、数据位、应答位（ACK）、NACK。

1．起始位

当主机想要启动I ² C数据传输时，需要先往I ² C总线发送起始位。起始位的条件是SCL线为高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。

2．停止位

当主机想要终止I ² C数据传输时，需要往I ² C总线发送停止位，释放I ² C总线的占用。停止位的条件是SCL线为高电平时，SDA线从低电平向高电平切换。

3．数据位

SDA数据线上的每字节必须是8位，每次传输的字节数量没有限制。每字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位（MSB），SDA上的数据必须在SCL高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在SCL低电平时期。

4．应答位

每字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），发送端释放SDA线，接收端把SDA拉低。

5．NACK位

以下情况会导致出现NACK位：

（1）接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何ACK发送给发射机。

（2）由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接收机无法接收或者发送。

（3）传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令。

（4）接收机无法接收。

（5）主机接收完成读取数据后，要发送NACK告知从机结束。

4.8.3　模拟I ² C

I ² C属于比较简单的总线，完全可以根据I ² C的时序，使用I/O模拟I ² C。本文将使用STM32的GPIO口实现模拟I ² C的功能，帮助读者理解I ² C的时序控制。

打开Chapter4\05_I2C_24c02\mdk\IIC24c02.uvproj工程文件，接着打开24c02.c文件，模拟I ² C的代码都在这个文件中。

1．I ² C初始化

I ² C的初始化部分代码主要是对STM32的GPIO进行初始化。GPIOB_9作为数据引脚（SDA），GPIOB_8作为时钟引脚（SCL），代码如下：

2．起始信号

当SCL为高电平时，SDA出现一个下降沿表示I ² C总线启动信号，代码如下：

IIC_SCL指I ² C的SCL引脚，IIC_SDAOUT指I ² C的SDA引脚输出，在24c02.h文件中分别被定义成PBout（8）和PBout（9），代码如下：

IIC_SDAOUT=1表示SDA引脚输出高电平。这里是GPIO输出高低电平的另外一种写法，等价于之前的GPIO_WriteBit（GPIOB，GPIO_Pin_9，Bit_SET）。

IIC_Start函数使用SDA、SCL引脚，通过输出高低电平和延时的操作，模拟了I ² C启动信号。其时序如图4.35所示。

3．停止信号

当SCL为高电平时，SDA出现一个上升沿表示I ² C总线停止信号，代码如下：

4．应答信号

I ² C总线上的所有数据都是以8位字节传送的，发送器每发送一字节，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），由接收器反馈一个应答信号。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）。主机等待从机应答信号的相关代码如下：

5．数据位发送

在I ² C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应。在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。逻辑0的电平为低电平，而逻辑1则为高电平。时序如图4.36所示。

6．发送一字节

I ² C写一字节相当于往I ² C总线发送了8个数据位，根据图4.39数据位发送时序，我们可以用I/O模拟，代码如下：

其中比较关键的代码是Senddata的移位操作。

根据&和﹥﹥的特性，（Senddata&0x80）﹥﹥7相当于保留Senddata的最高位，其他位清零，同时再把最高位右移到最低位。相当于把Senddata最高位的数值赋给IIC_SDAOUT，从而实现SDA引脚根据Senddata的最高位输出响应的高低电平。

之后Senddata=（Senddata﹤﹤1），把Senddata的第2高位通过左移1位的方式，使Senddata的第2高位变成最高位。

再通过for循环，重复这两步操作，把Senddata的每一位都发送出去。为了方便理解，我们假设Senddata等于170，十六进制为：0xAA，二进制为：10101010。整个for循环的移位操作可以用图4.37直观地表示出来。

7．读一字节

读时序和发送时序相同，不同的是发送时需要在SCL低电平的时候更改SDA数据位，而读时需要在SCL高电平的时候读取SDA数据位。同时，每读取一位数据，都需要左移1位，保证高位在前。读完数据后需要发送ACK或者NACK应答信号。代码如下：

4.8.4　小结

I ² C是嵌入式中最常见的总线通信协议，读者需要熟练掌握，了解I ² C的时序，并能使用I/O模拟I ² C操作。 ZHzgG66jxq0FdasY2eURv20kcoDO0XA0zPk8PrRrF2tSXwyNRcqUgrKwrEmUYqP+