基于STM32的IIC通信

IIC通信

• I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

• 两根通信线：SCL（串行时钟线）、SDA（串行数据线）

• 同步，半双工

• 带数据应答

• 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

一主多从：单片机作为主机，主导I2C总线的运行，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机，从机只有被主机点名之后才能控制I2C总线，不能在未经允许的情况下去碰I2C总线，防止冲突。

多主多从：在总线上的任何一个模块都可以是主机。

硬件电路

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

左边的CPU就是单片机，作为总线的主机。总线的权利很大，包括对SCL线的完全控制，任何时候，都是主机完全掌握SCL线。另外在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制给从机。

从机：挂载在I2C总线上的从机，这些从机可以是姿态传感器、OLED\存储器、时钟模块等。从机的权利比较小，对于SCL时钟线，在任何时候都只能被动的读取，从机不允许控制SCL线。对于SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制，只有在主机发送读取从机的命令后，或者从机应答的时候，从机才能短暂地获取到SDA的控制权

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起。

先忽略这两个电阻，假设我们就按照上图连接。那如何规定每个设备SCL和SDA的输入输出模式呢？SCL应该好规定，因为现在是一主多从，主机拥有SCL的绝对控制权，所以主机的模式可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或者上拉输入。数据流向是，主机发送，所有从机接收。但是到SDA线这里，就比较麻烦了，因为这是半双工的协议，所以主机的SDA在发送的时候是输出，在接收的时候是输入。同样，从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换，如果能协调好输入输出的切换时机，那也没问题。但如果总线时序没有协调好，极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态，又正好是一个输出高电平，一个输出低电平，那这个状态就是电源短路。所以为了避免总线没有协调好导致电源短路这个问题，I2C的设计，禁止所有的设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构，所以设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式。

所有的设备，CPU和被控IC,他引脚的内部结构都是上图所示：

左边的一部分是SCL,右边是SDA的结构。

首先引脚的信号进来，都可以通过一个数据缓冲器或者施密特触发器，进行输入，因为输入对电路没有任何影响，所以任何设备在任何时候都是可以输入的，但是在输出的部分，采用的是开漏输出的配置。

推挽输出：上面一个开关管接到正极，下面一个开关管接到负极。

上面导通，输出高电平

下面导通，输出低电平

开漏输出：去掉强上拉的开关管，输出低电平时，下管导通，是强下拉；输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空的状态，这就是开漏输出。

输出低电平，这个开关管导通，引脚直接接地，是强下拉；输出高电平，引脚管断开，处于浮空状态，这样所有的设备都只能输出低电平而不能输出高电平。但这样的话，为了避免高电平造成的引脚浮空，这时就需要在总线外面SCL和SDA各外置一个上拉电阻。

I2C时序基本单元

• 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

• 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

起始条件：

在I2C 总线处于空闲状态时：SCL和SDA都处于高电平状态，是由SCL和SDA由外挂的上拉电阻拉高至高电平，总线处于平静的高电平状态。

主机需要进行数据收发时，当从机捕获到SCL高电平，SDA下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤。然后在SDA下降沿之后，主机要再把SCL拽下来，拽下SCL：1、占用总线，2、方便拼接。

终止条件

SCL先放手，回到高电平；SDA再放手，回到高电平，产生一个上升沿。上升沿触发终止条件，同时终止条件之后，SCL和SDA都是高电平。

发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，

即可发送一个字节.。

主机如果想发送0，就拉底SDA到低电平；如果想发送1，就放手，SDA回到高电平，在SCL低电平期间，允许改变SDA的电平。当这一位的数据放好之后，主机就松手时钟线，SCL回到高电平。在高电平期间，是从机读取SDA的时候，所以高电平期间，SDA不允许变化。SCL处于高电平之后，从机需要尽快地读取SDA,一般在上升沿这个时刻，从机就已经读取完成了。主机在放手SCL一段时间后，就可以继续拉低SCL，然后传输下一位。

接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，

即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

SCL低电平期间，从机将数据位依次到SDA线上（高位先行），然后释放SCL,主机在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化。

发送应答和接收应答

• 发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

• 接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

I2C时序

• 指定地址写

• 对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

空闲状态:SCL和SDA都是高电平。

主机给从机写入数据的时候：1、SCL高电平期间，拉低SDA,产生起始条件，紧跟着的时序，必须是发送一个字节的时序，字节的内容，必须是从机地址+读写位。从机地址是7位，读写位是1位。加起来刚好一个字节。发送从机地址，就是确定通信的对象。发送读写位，就是确认我接下来是要写入还是要读出。

I2C的硬件实现

I2C外设简介

• STM32 内部集成了硬件 I2C 收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻 CPU 的负担
• 支持多主机模型
• 支持 7 位 /10 位地址模式
• 支持不同的通讯速度，标准速度 ( 高达 100 kHz) ，快速 ( 高达 400 kHz)
• 支持 DMA
• 兼容 SMBus 协议
• STM32F103C8T6 硬件 I2C 资源： I2C1 、 I2C2
（硬件I2C的资源是有限的，这也是硬件和软件的区别）