STM32标准库与HAL库对照学习教程特别篇--IIC通信原理讲解

Posted 2022-01-01 修成真

【STM32】标准库与HAL库对照学习教程特别篇--IIC通信原理讲解

• 一、前言
• 二、IIC总线介绍
• 三、IIC物理层
• 四、IIC协议层
• • 1、通信大致流程：
  • 2、传输过程
  • 3、信号要求
• 五、使用C语言实现IIC
• • 1、起始信号与停止信号
  • 2、应答信号、非应答信号与等待应答信号
  • 3、发送一个字节数据与接收一个字节的数据
• 六、设备间使用IIC的大致流程
• • 1、发送数据
  • 2、接收数据

一、前言

IIC通信作为单片机经常使用的通信协议，有着十分重要的地位，我们经常使用IIC通信驱动各种外设。IIC在使用上有软件IIC与硬件IIC。
软件IIC是指用单片机的两个引脚模拟出来的IIC，通过程序控制引脚状态。
硬件IIC是指芯片上的IIC外设，有专门的电路与控制寄存器，对应引脚也是专用的。
硬件IIC的效率要远高于软件IIC，但引脚固定且数量有限，软件IIC不受引脚限制。
本章我们使用软件IIC。

二、IIC总线介绍

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。

I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

三、IIC物理层

IIC通信的连接方式：

说明：

• SCL总线是时钟线，由主设备提供。SDA总线是数据线，用于数据的传输。
• 总线上同一时间只能由一个主设备使用，当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。
• 每个连接到总线的从设备都有一个独立的地址，主设备可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
• IIC通信属于半双工通信，同一时间的设备只能接收数据或者发射数据。（因为只有一根数据线）
• 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，由上拉电阻把总线拉成高电平。
• 常见两种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s 。
• 连接设备数量受最大电容400pF的限制。

四、IIC协议层

1、通信大致流程：

• 主设备首先发射一个起始信号，开始通信。
• 然后，主设备会发射需要通信的某一个从设备的地址。
• 当对应地址的从设备接收到地址信号后会返回一个应答信号，当主设备接收到应答信号时，开始进行数据传输。
• 每当 接收或者发送 数据都会 接收或者发送 一个应答信号，当不需要传输数据时，需要提供一个非应答信号，结束数据传输。
• 数据传输完毕时，主设备会发射一个停止信号结束通信。

2、传输过程

（1）主机向从机发送数据：

（2）主机读取从设备的数据：

（3）主机在发送数据过程中，转为读取数据。

S：起始信号， 0：写数据， 1：读数据， A：应答信号， A非：非应答信号， P：停止信号
数据传输一帧数据有8位，地址的数据一般为7位加上1位读写位，正好一帧数据。（10位的地址一般检测头7位）

3、信号要求

（1）起始和停止信号

（2）应答与非应答信号

（3）数据有效性规定

数据电平变化必须在SCL为低电平的时候。

五、使用C语言实现IIC

根据信号要求，可以用C语言写出对应传输程序。

1、起始信号与停止信号

（1）起始信号

/*************************************************
*函数名：     IIC_start
*函数功能：   IIC起始信号
*输入：       无
*返回值：     无
**************************************************/
void IIC_start()

	IIC_OUT();    //SDA变为输出状态
	SCL = 1;
	SDA_out = 1;
	Delay_us(5);
	SDA_out = 0;
	Delay_us(5);

（2）终止信号

/*************************************************
*函数名：     IIC_end
*函数功能：   IIC停止信号
*输入：       无
*返回值：     无 
**************************************************/
void IIC_end()

	IIC_OUT();    //SDA变为输出状态
	SCL = 0;
	SDA_out = 1;
	SDA_out = 0;
	Delay_us(5);
	SDA_out = 1;
	Delay_us(5);

2、应答信号、非应答信号与等待应答信号

（1）应答信号

/*************************************************
*函数名：      IIC_ACK
*函数功能：    IIC主机发出应答信号
*输入：        无
*返回值：      无
**************************************************/
void IIC_ACK()

	IIC_OUT();    //SDA变为输出状态
	SCL = 0;
	SDA_out = 0;
	Delay_us(2);
	SCL = 1;
	Delay_us(5);
	SCL = 0;

（2）非应答信号

/*************************************************
*函数名：       IIC_NACK
*函数功能：     IIC主机发出非应答信号
*输入：         无
*返回值：       无
**************************************************/
void IIC_NACK()

	IIC_OUT();   //SDA变为输出状态
	SCL = 0;
	SDA_out = 1;
	Delay_us(2);
	SCL = 1;
	Delay_us(5);
	SCL = 0;

（3）等待应答信号

/*************************************************
*函数名：       IIC_Wait_ACK
*函数功能：     主机等待应答信号
*输入：         无
*返回值：       1：接收到应答信号，0：非应答或者未接收到应答信号
**************************************************/
u8 IIC_Wait_ACK()

	u8 i;
	IIC_IN();   //SDA变为输入状态
	SCL = 1;
	while(SDA_in)
	
		i++;
		if(i > 250)
		
			IIC_end();
			return 0;
		
	
  	SCL=0;  
	return 1;

3、发送一个字节数据与接收一个字节的数据

（1）发送一个字节数据

/*************************************************
*函数名：       IIC_Write_byte
*函数功能：     IIC写一个字节函数
*输入：         bit:写入的数据
*返回值：       无
**************************************************/
void IIC_Write_byte(u8 bit)

	u8 i;
	IIC_OUT();  //SDA变为输出状态
	SCL = 0;
	for(i = 0;i < 8;i++)
	
		if(bit & 0x80)
			SDA_out = 1;
		else
			SDA_out = 0;
		bit <<= 1;
		Delay_us(2);
		SCL = 1;
		Delay_us(2);
		SCL = 0;
		Delay_us(2);
	

（2）接收一个字节的数据

/*************************************************
*函数名：       IIC_Read_byte
*函数功能：     IIC读取一个字节的数据
*输入：         ACK:1-接收后给应答信号，0-接收后给非应答信号
*返回值：       BIt:读取的值
**************************************************/
u8 IIC_Read_byte(u8 ACK)

	u8 i,Bit;
	IIC_IN();   //SCL变为输入状态
	for(i = 0;i < 8;i++)  //判断最高位，0x80 = 1000 0000
	
		SCL = 0;
		Delay_us(2);
		SCL = 1;
		Bit <<= 1;
		if(SDA_in)
			Bit++;
	
	if(ACK)
		IIC_ACK();
	else
		IIC_NACK();
	return Bit;

六、设备间使用IIC的大致流程

1、发送数据

• 主机发送起始信号
• 主机发送从机地址+写信号
• 主机接收到应答信号，发送从设备写入数据的地址
• 主机接收到应答信号，主机开始发送数据，每发送一字节数据，都要接收一次应答信号。
• 数据发送完毕，主机发送停止信号，通信结束。

2、接收数据

• 主机发送起始信号
• 主机发送从机地址+读信号
• 主机接收到应答信号，发送从设备读取数据的地址
• 主机接收到应答信号，从设备开始发送数据，主机每接送一字节数据，都要发送一次应答信号。
• 主机不在想接收数据时，发送非应答信号，，结束数据传输。
• 主机发送停止信号，通信结束。

到这里就结束啦！