2.1.I2C协议编程

Posted 2023-03-13 衾许°

关于I2C这个协议，它体现了一个单片机难度的开始，我记得当时我学51时，I2C一直都理解不了，现在回来一看，它的原理貌似又显得如此的简单..

硬件连接

 对于硬件连接，也就是SCK时钟线，SDA数据线，两条线而已，这里唯一有讲究的就是I2C上为什么要加上拉电阻：SDA这条线上不一定只接有一个I2C设备，若是在数据传输过程中，设备1的SDA输出1，而设备2的SDA因为设计等各种原因输出了2，那么造成短路，设备将会有烧坏的风险，在这里，我们可以看向I2C设备的内部结构图：

 对于一个I2C设备而言，SDA并不直接由设备驱动，而是由OUT处的三极管控制，当OUT=1导通时，SDA接地，则SDA=0，相对的，当OUT=0时，SDA则由外部的电路决定其电平属性。若两边的设备OUT都为0，SDA悬空，那么上拉电阻就能为原本为悬空状态的SDA设置电平为高。有以下真值表

AOUT	BOUT	SDA
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

I2C原理

白色背景表示主-->从，灰色背景表示从-->主

数据写入

流程如下：

1.主芯片(开发板内置)发出一个START信号到从设备

2.主芯片发出设备地址（用于选中I2C总线上的I2C设备）以及方向（0表示写，1表示读）

3.从设备回应（用于确定设备是否存在）

4.主设备发送一个字节的数据给从设备，并等待回应，当接受到从设备的回应后才继续发送下一个字节的数据

5.数据发送结束后，主设备送出一个停止信号给从设备。

数据读出

 流程如下：

1.主芯片(开发板内置)发出一个START信号到从设备

2.主芯片发出设备地址（用于选中I2C总线上的I2C设备）以及方向（0表示写，1表示读）

3.从设备回应（用于确定设备是否存在）

4.从设备发送一个字节的数据给主设备，并等待回应，当接受到主设备的回应后才继续发送下一个字节的数据

5.数据发送结束后，主设备送出一个停止信号给从设备。

I2C信号如何形成？

那么START信号，设备地址，方向，停止信号等等又该如何形成呢?

•  开始信号（S）：当SCL保持高电平的情况下，SDA从高电平到低电平跳变，即为开始信号
•  结束信号（P）：当SCL保持高电平的情况下，SDA从低电平到高电平跳变，即为结束信号
• 响应信号（ACK）：接收器在接收到8位数据后，在之后的第9个时钟周期内拉低SDA，即为响应信号

• 数据传输（设备地址，方向）:当SCL为高电平时，SDA上的将数据被传输（读或写），而SDA上的数据想要变化，只能在SCL为低电平时进行跳变。

设备地址怎么看？

以AT24C02为例子

 对于不同大小的I2C设备，具有不同的从器件地址。由于24C02为2k容量，也就是说只需要参考下图中第一行的内容

 即AT24C02的设备地址为：1010xxx,若AT24C02的A1,A2,A3引脚都接地，则AT24C02的设备地址为1010000

SMBus协议

SMBus（System Management Bus）系统管理总线，是I2C的一个子集，它是基于I2C的基础提出了更为严格的使用规范。

VDD极限值对比I2C：

• I2C：范围广，最高甚至可达12V
• SMBus：1.8V~5V

SCL时钟频率对比I2C：

• I2C：时钟最小频率无限制，且无Clock Stretching时长的限制。
• SMBus：时钟最小频率10KHZ，有Clock Stretching时长的限制。

地址回应（Address Acknowledge）对比I2C：

• I2C：没有强制要求必须发出回应信号(ack)
• SMBus：强制要求必须发出回应信号(ack)chu

 数据传输格式对比I2C：

• I2C：只定义了怎么传输数据，未定义数据的格式，数据格式完全由设备定义
• SMBus：定义了几种固定的数据格式

1.Quick Command数据格式 

这种数据格式如图，可以在发出设备地址后，只发出一位数据，用于一些简单的I2C设备使用，如开关等。

2.Receive Byte数据格式 

 

这种数据格式如图,和原本的I2C协议很像，但区别在于主设备在接收到从设备发出的数据后，不需要进行应答（ACK）

3.Send Byte数据格式 

 几乎与I2C的过程一致。

4.Read Byte数据格式 

与上面的Receive Byte不同，Read Byte需要在发出设备地址后，还需要发出一个8位的芯片寄存器地址（Command Code），然后发出一个重复S信号（后面会讲这个机制）

5.Read Word数据格式 

 与Read Byte类似，但区别就是把数据分为高字节与低字节，就是一个是传8位数据用，一个传16位的数据。

6.Write Byte数据格式

7.Write Byte数据格式

对应的写操作数据格式如上：

8.Block Read数据格式

在这个块的读操作涉及到一个新的地方即：从设备会将数据数量Block Count的值上报到主设备，然后主设备才从从设备中读取N个块的数据。

9.Block Write数据格式

类似的东西，不再赘述

10.Block Write - Block Read Process Call数据格式

这个数据格式即写入N个数据块后立即读出N个数据块的数据，这里的两个N分别由主设备和从设备决定

11.PEC数据格式

PEC数据格式是一种错误校验码，即一个用于检验数据是否发送正常的数据块

SMBus中还存在REPEATED START Condition信号的机制（重复发出S信号）

即主设备在完成对数据的写操作后，主设备不用发出结束信号（P），而是直接发出下一个开始信号（S），然后对数据进行读操作即可。在BLOCK数据格式中，如果把传输Block Count的步骤去掉即为I2CBlock数据格式。在两种协议中更建议使用SMBus