I2C通信基本原理及其实现

Posted 2021-02-09 yuanqiangfei

  I2C是一种总线式结构，它只需要SCL时钟信号线与SDA数据线，两根线就能将连接与总线上的设备实现数据通信，由于它的简便的构造设计，于是成为一种较为常用的通信方式。

   由于I2C采用的是主从式通信方式，所以，通信的过程完全由主设备仲裁。在通信之前，必须由主设备发送一个起始信号，决定数据是否可以开始传送，并且在结束通信时，必须再由主设备发送一个结束信号，以表示通信已经结束。

  因为，通信之前，主设备需要发送一个起始信号，所以，先讲一下起始信号。通过上面的图就可以知道(上图中的第一个波形图是SDA数据线，第二个波形图是SCL时钟信号线)，起始信号是在SCL时钟信号线处于高电平时，SDA数据线由高电平转换为低电平，也就是产生一个下降沿，就意味着起始信号已经发送，数据的通信可以进行了。代码如下：

void I2C_Start()
{
	I2C_SDA = 1;
	I2C_Delay10us();
	I2C_SCL = 1;
	I2C_Delay10us();//建立时间是I2C_SDA保持时间>4.7us
	I2C_SDA = 0;
	I2C_Delay10us();//保持时间是>4us
	I2C_SCL = 0;			
	I2C_Delay10us();		
}

　   同样的，由上图可知：结束信号，就是在SCL时钟信号线处于高电平时，SDA数据线由低电平变为高电平 ，也就是，SDA数据线产生一个 上升沿。代码如下:

　

void I2C_Stop()
{
	I2C_SDA = 0;
	I2C_Delay10us();
	I2C_SCL = 1;
	I2C_Delay10us();//建立时间大于4.7us
	I2C_SDA = 1;
	I2C_Delay10us();		
}

　　

   接下来就是该讲一下，I2C数据的发送问题了。由于I2C是主从式通信，也就意味着一根总线上可以挂载多个从设备，那么主设备如何区分这些从设备呢？主设备如何知道是在与哪一个从设备在通信呢？答案是：通过地址。每一个从设备都有自己的地址编码，也就是说，主设备在与具体的某一个从设备通信之前，必须先发送地址，以表示与主设备通信的是该设备。从上图可知，主设备在发送完起始信号后，立刻开始了发送从设备的地址。那么如何发送数据地址呢？首先，在SCL时钟信号线处于低电平时，SDA数据线上的地址信息要开始准备了。I2C通信一个必须注意的点就是，在传送地址信息时，都是从高位开始传送，

I2C_SDA = dat >> 7;
	dat = dat << 1;

接着，SCL时钟信号线开始由低电平向高电平转换，这个时候，SDA数据线上的数据开始在传送了，当SCL时钟信号线上的信号再由高电平转换位低电平的时候，一个Bit位的数据已经传送完毕。在地址信息传送完毕之后，还会有一个应答信号，因为，为了确保从设备接收到已经发送的数据，从设备就会向主设备发送一个应答信号，若主设备接收到应答信号则说明数据传送成功，否则数据传送失败。很重要的一点是，总线一直是由主设备控制，那么当从设备想要向主设备发送一个应答信号时，主设备需要是释放总线，将总线权限交给从设备。

所以，从设备在向主设备发送应答信号时，主设备应该释放总线，代码如下：

  I2C_SDA = 1;

接着，由上图可知，当SCL时钟信号线再次拉高时，就进入了第9个时钟周期，也就是此时开始传送应答信号。当成功应答时，返回1，否则返回0。完整代码如下：

I2C_SDA = 1;     
	I2C_Delay10us();
	I2C_SCL = 1;        
	
	while(I2C_SDA && (ack == 1))
	{
		b++;
		if(b > 200)	
		{
			I2C_SCL = 0;
			I2C_Delay10us();
			return 0;
		}
	}

	I2C_SCL = 0;
	I2C_Delay10us();
 	return 1;		
}

最后，就是I2C设备（也就是主设备）数据的接收。此时，从设备发送数据给主设备，也就是，主设备进行数据的接收。那么，主设备同样要释放总线权限。也就是

   I2C_SDA = 1;

首先，SCL时钟信号线为低电平，这时，SDA数据线要准备好数据了，接着，SCL时钟信号线由低电平变为高电平，此时，数据传送开始了，当SCL时钟信号线再次变为低电平是，一个Bit的数据传送结束。代码如下：

uchar I2C_ReadByte()
{
	uchar a = 0,dat = 0;
	I2C_SDA = 1;			
	                        
	I2C_Delay10us();
	//I2C_SCL = 0；
	for(a=0; a<8; a++)
	{
		I2C_SCL = 1;       
		I2C_Delay10us();
		dat <<= 1;
		dat |= I2C_SDA;
		I2C_Delay10us();
		I2C_SCL = 0;
		I2C_Delay10us();
	}
	return dat;		
}

I2C的底层时序到这里基本上就已经结束了。