二十三、 IIC协议介绍

1. IIC协议介绍

1.1 什么是IIC协议

IIC（Inter-Integrated Circuit）协议也称为I2C总线，是一种串行通信协议，通常用于连接低速外设。它由Philips（现在的NXP Semiconductors）公司于1980年代初开发，现在已经成为一个标准。IIC总线只需要两条数据线，分别是串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），这使得它成为一种非常简单的接口。它适用基于芯片的通信，例如连接传感器、存储器或数字信号处理器等。

在IIC协议中，总线上有一个主设备和多个从设备。主设备掌控着总线上的通信过程，负责发起、控制、停止通信。而从设备则需要等待主设备的请求，接收或发送数据。主设备和从设备之间的数据交换采用帧格式，每个帧通常包含地址、数据和控制信息。主设备根据从设备的地址来选中要通信的设备，从设备则根据控制信息进行相应的操作。IIC协议可以支持多个从设备连接到同一个主设备，为系统设计提供了更大的灵活性。

1.2 IIC的硬件实现

I2C总线通常使用两种电压电平，即高电平（VH）和低电平（VL）。高电平为2.5V至5.5V，低电平为0V至0.3V；这些电压电平范围是根据I2C规范确定的。I2C总线有不同的传输速率可选，包括标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）以及高速模式。传输速率的选择取决于应用的需求和设备的支持能力。为避免信号冲突，微处理器(MCU）必须只能驱动SDA和 SCL在低电平，即开漏输出。设置为开漏模式主要是为了保护器件和防止干扰。

• 防止干扰：多个器件共享同一条数据线（SDA）和同一条时钟线（SCL），如果采用推挽输出模式，多个器件的输出将会叠加在数据线上，造成信号干扰，严重时会损坏器件或导致通信错误。而采用开漏输出模式，则各个器件的输出只有拉低数据线的部分，不会干扰彼此，从而提高了总线的可靠性和抗干扰能力。
• 防止短路：在开漏输出模式下，由于器件的输出只有拉低数据线的部分，如果两个或多个器件同时输出，也不会造成短路。而如果采用推挽输出模式，两个或多个器件同时输出时，可能会形成短路。比如主设备输出高电平，从设备输出低电平。 因设置为开漏模式，需要连接一个外部的上拉电阻（例如:10k)将信号提拉至高电平。故I2C总线中的SDA（数据线）和SCL（时钟线）通常都连接了上拉电阻，以确保逻辑高电平的稳定性。上拉电阻的阻值通常在2.2kΩ至10kΩ之间，具体取决于总线的电容负载和通信距离。 I2C总线的最大线缆长度和传输容量受到一定限制。在标准模式下，最大线缆长度大约在1米左右，而在快速模式下，最大线缆长度约为0.3米。此外，线缆上的总线容量也会对传输速率产生影响。

1.3 IIC数据传输

IIC只有两根通信线，因此它数据传输是基于时钟信号的。各个设备在时钟信号的控制下进行数据的收发操作。下面是IIC总线的几个重要的时序： 起始信号：SCL在高电平的状态下，SDA的电平由高转低，表示开始一次通信。

void IIC_Start(void)
{
        SDA_OUT();//设置SDA为输出模式
        SDA(1);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        SDA(0);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        delay_us(5);
}

停止信号：SCL在高电平的状态下，SDA的电平由低转高，表示结束这次通信。主设备在发送停止信号后不能再向从设备发送任何数据，除非再次发送起始信号。

void IIC_Stop(void)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        SDA(1);
        delay_us(5);
}

数据传输：主设备和从设备进行数据的传输，可以是一个或多个字节的数据，发送和接收都是基于地址选择的。

//发送一个字节
void IIC_Send_Byte(uint8_t dat)
{
        int i = 0;
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
              SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
              delay_us(1);
              SCL(1);
              delay_us(5);
              SCL(0);
              delay_us(5);
              dat<<=1;
        }
}

//接收一个字节
unsigned char IIC_Read_Byte(void)
{
        unsigned char i,receive=0;
        SDA_IN();//SDA设置为输入
        for(i=0;i<8;i++ )
        {
                SCL(0);
                delay_us(5);
                SCL(1);
                delay_us(5);
                receive<<=1;
                if( SDA_GET() )
                {
                receive |= 1;
                }
        }
        SCL(0);
        return receive;
}

I2C还提供了一种称为“ACK/NACK”（应答/非应答）的确认机制。如果一个设备接收到数据，它将通过在SDA线上拉低电平来发送一个应答信号以通知发送方数据已被接收。相反，如果数据被损坏或未接收，接收设备将发送非应答信号。（在SDA上保持高电平）。

void IIC_Send_Ack(void)
{
      SDA_OUT();
      SCL(0);
      SDA(1);
      SDA(0);
      SCL(1);
      delay_us(5);
      SCL(0);
      SDA(1);
}

void IIC_Send_Nack(void)
{
      SDA_OUT();
      SCL(0);
      SDA(0);
      SDA(1);
      SCL(1);
      delay_us(5);
      SCL(0);
      SDA(0);
}

在IIC总线中，时钟线由主设备控制，每个数据位在时钟边沿更新，传输的最高速率取决于总线上最慢的设备。一般来讲，IIC总线的通信速率比较慢，通常在几百kbps的范围内。如果需要更高的传输速率，可以采用其他通信协议，如SPI协议、CAN协议等。

1.4 通信流程

I2C通信流程按照以下步骤进行：

• 主控向总线发送开始信号。
• 主控将要通信的设备地址和读写位（R/W）发送到总线上。
• 设备接收到地址后发送应答信号，主控接收到应答信号后发送数据或继续发送地址。
• 设备接收到数据后发送应答信号，主控接收到应答信号后可以继续发送数据或者停止通信。
• 主控向总线发送停止信号。

1.5. IIC基本参数

速率 ：I2C总线有标准模式（100 kbit/s）和快速模式（400 kbit/s）两种传输模式，还有更快的扩展模式和高速模式可供选择。

器件地址 ：每个设备都有唯一的7位或10位地址，可以通过地址选择来确定与谁进行通信。

总线状态 ：I2C总线有五种状态，分别是空闲状态、起始信号、结束信号、响应信号、数据传输。

数据格式 ：I2C总线有两种数据格式，标准格式和快速格式。标准格式是8位数据字节加上1位ack/nack（应答/非应答）位，快速格式允许两个字节同时传输。

由于SCL和SDA线是双向的，它们也可能会由于外部原因（比如线路中的电容等）出现电平误差，而从而导致通信出错。因此，在IIC总线中，通常使用上拉电阻来保证信号线在空闲状态下的电平为高电平。

2. HC32硬件I2C介绍

HC32F4A0PITB上带有6个硬件I2C外设，它是一个内部电路，允许与外部I2C接口进行通信。HC32F4A0芯片上的硬件I2C模块使用特定的引脚复用来进行数据和时钟信号传输。

硬件I2C模块的时序控制是由硬件电路和寄存器控制来实现的，这些电路和寄存器负责生成时钟和控制数据线的电平变化，使其符合I2C通信协议的时序要求，能够自动处理I2C通信所需的时序信号，确保数据的传输在正确的时间轴上进行。通过硬件I2C模块的自动控制，时序控制可以更加准确和可靠，从而提高通信的成功率。

硬件I2C还可以支持中断和DMA。它可以通过中断或DMA方式与处理器进行通信。这使得处理器可以在数据传输期间进行其他任务，提高了系统的效率和性能。

HC32F4A0PITB的硬件I2C模块上只支持标准模式（100 kHz）和快速模式（400 kHz），以满足不同应用场景下的通信需求。

2.1 硬件I2C发送流程

（1）软件初始化

需要配置I2C控制器的相关参数，以确保适合所连接设备的通信需求。这包括设置I2C速率、地址模式、设备地址等。

（2）设置START

发送一个起始信号至I2C总线，通过设置I2C控制器的开始位来启动发送过程。可以通过标志位SBSEND 判断起始信号是否发送完毕，发送完毕时SBSEND标志位会由硬件置一。

（3）清除SBSEND

SBSEND为起始信号发送完成标志位，当起始信号发送完成时，会由硬件置一。图中为10位地址模式，需要清除起始信号标志位才可进行下一步，但是如果是7位地址模式，该标志位不可清除，否则无法进行下一步。

（4） 清除ADDSEND位

如果地址为10位地址模式，则需要发送两次地址，分别是地址高位和地址低位，先发送高位再发送低位。发送完成ADD10SEND和ADDSEND会由硬件置一，需要我们分别清除地址发送完成标志位ADD10SEND和ADDSEND。

如果地址为7位地址模式，则只需要发送一次地址，并等待标志位ADDSEND由硬件置一后，清除ADDSEND标志位。

（5） 写入字节数据

写入数据之前，为了防止数据冲突，需要确保发送寄存器里的数据为空。可以通过判断标志位TBE判断寄存器中的数据是否为空，为空时TBE标志位由硬件置一。发送数据之后需要判断从机是否产生应答，通过BTC标志位判断是否发送成功，当发送成功时，BTC由硬件置一。

（6） 设置STOP

设置STOP即发送停止信号。

以下为具体发送流程图：

2.2 硬件I2C接收流程

根据图2-2-1所示，第一步至第四步的清除ADDSEND与硬件I2C发送流程一致，这里不再说明，我们从图2-2-1第四步中的再次设置START开始。
（1）再次设置START
重新发送起始信号，需要注意的是重新发送之前，必须要先发送停止信号释放总线，让硬件I2C成为空闲状态后，才可重新发送起始信号。否则无法进行下一步。
（2）清除SBSEND
SBSEND为起始信号发送完成标志位，当起始信号发送完成时，会由硬件置一。图中为10位地址模式，需要清除起始信号标志位才可进行下一步，但是如果是7位地址模式，该标志位不可清除，否则无法进行下一步。
（3） 清除ADDSEND位
如果地址为10位地址模式，在清除ADDSEND位之前，需要发送两次地址，分别是地址高位和地址低位，先发送高位再发送低位。发送完成ADD10SEND和ADDSEND会由硬件置一，需要我们分别清除地址发送完成标志位ADD10SEND和ADDSEND。如果地址为7位地址模式，则只需要发送一次地址，并等待标志位ADDSEND由硬件置一后，清除ADDSEND标志位。
（4） 读取字节数据
接收数据可以通过判断标志位RBNE确定当前寄存器中是否有数据。RBNE标志位为数据寄存器为空标志位，当数据寄存器中有接收到数据时，会由硬件将RBNE标志位置一，之后我们可以将数据寄存器里的数据取出。读取数据完成之后，我们需要发送应答给从机，从机才会发送下一个数据。通过使能ACK应答位，硬件I2C会自动通过硬件方式发送应答。
（5）清除ACKEN，设置STOP
当最后一个数据需要发送非应答信号时，通过将ACK应答位失能，即可发送非应答位。非应答位发送完成之后，紧跟着发送停止信号。

3. 软件I2C与硬件I2C

I2C协议可以通过软件实现或者硬件实现。这两种方式的区别在于实现的方法和所需的硬件资源。

3.1 软件I2C

软件I2C是指通过在程序中编写代码来实现I2C通信协议。它利用通用输入输出（GPIO）引脚来模拟I2C的数据线（SDA）和时钟线（SCL），通过软件控制引脚的电平变化来传输数据和生成时序信号。与硬件I2C相比，软件I2C的优势在于不需要特定的硬件支持，可以在任何支持GPIO功能的微控制器上实现。它利用了微控制器的通用IO引脚来实现I2C通信协议。
软件I2C的实现通过编程方式来模拟I2C的主机和从机设备。通过逐位地读取和写入GPIO引脚的状态，并根据I2C协议的时序要求进行相应的操作，实现数据的传输和通信。软件I2C的灵活性较高，可以根据应用需求进行定制和扩展。它可以处理多个从机设备，并支持多主机环境。因此，软件I2C广泛应用于资源受限的MCU系统，特别是那些需要与多个外部设备进行通信的应用。
尽管软件I2C的性能相对于硬件I2C较低，但在一些低速通信和简单通信需求的场景下，软件I2C是一种经济实用的解决方案。

3.2 硬件I2C

硬件I2C是指通过专门的硬件模块来处理I2C通信协议。大多数现代微控制器和一些外部设备已经集成了硬件I2C模块，这些硬件模块负责处理I2C通信的细节，包括生成正确的时序信号、自动处理信号冲突、数据传输和错误检测等。可以直接使用硬件引脚连接，无需编写时序的代码。
使用硬件I2C通常相对简单，开发者无需编写复杂的代码来处理通信协议的细节。硬件模块可以直接与外部设备连接，通过专用的引脚进行数据和时钟传输，从而实现高效且可靠的通信。 在选择软件I2C还是硬件I2C时，需要考虑应用需求和硬件资源。软件I2C适用于资源受限的系统，可以在任何支持GPIO的微控制器上实现，但相对性能较低。硬件I2C通常性能更好，但需要硬件支持，并且可能占据一些特定的引脚资源。

4. IIC优缺点

4.1 优点

双向传输：I2C总线支持双向传输，可以通过SDA线同时传输主设备和从设备之间的数据，节约了总线的资源。
系统集成：I2C总线可以快速集成到芯片中，减少系统实现的逻辑复杂性，提高了设计效率。
多设备共享：I2C总线可以通过地址传输实现多个设备与主控器的通信，使得多个设备可以共享总线，并直接交互。
高可靠性：I2C总线使用逻辑层次的代替电气信号来表示数据传输，具有更高的传输可靠性。

4.2 缺点

带宽不高：I2C总线的传输速度限制在400 kbps，相比较于SPI总线和CAN总线，带宽相对较低。
时序要求严格：I2C总线传输数据需要严格遵循时序要求，特别是在高速传输过程，时序容易受到干扰，造成通信失败。
最长电缆长度有限：虽然I2C总线可以通过中继器扩展总线长度，但是由于信号线受到干扰，信号衰减和时序要求等问题，电缆最长长度一般限制在1~2米之间。
总之，I2C总线具有双向传输、系统集成、多设备共享等优点，但传输速度相对较低，时序要求严格且最长电缆长度有限等缺点。

5. IIC应用

I2C总线是应用最广泛的通信接口之一，以下是几个常见的应用例子：

1. 温度计传感器：常见的温度计传感器，如SHT31、LM75等，都采用I2C接口，其通过I2C总线将温度数据传输到主控器进行处理。
2. LED驱动器：LED驱动器，如PCA9685，常用于控制LED灯的亮度和颜色，其通过I2C总线和主控器通信，可实现快速和精确定时。
3. OLED显示屏：OLED显示屏通过I2C总线与主控器通信，可实现高清晰度的图形显示，应用于像表盘、智能手表、电子血压计等低功耗设备之中。
4. 触摸屏控制器：常见的15寸及以下触摸屏控制器，如STMPE610，都采用I2C接口，这些控制器可提供触摸检测和X/Y坐标的读取等功能。
5. 电流电压采集：电流或电压采集芯片，如INA219，可通过I2C总线和主控器通信，实现精确高速的电流电压数据采集，应用于电源管理和工业自动化等领域。

上述只是常见的应用例子之一，I2C总线在许多领域都有广泛的应用，具有性价比高、易于移植等优点。