再談I2C！結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)說(shuō)說(shuō)這項(xiàng)知識(shí)

目錄

• 背景

• 硬件層

• 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

• 實(shí)際上如何工作？

• 單個(gè)主設(shè)備連接多個(gè)從機(jī)

• 多個(gè)主設(shè)備連接多個(gè)從機(jī)

• 如何編程？

• 總結(jié)

背景

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，是由飛利浦公司在1980年代初設(shè)計(jì)的，方便了主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)與周邊設(shè)備組件之間的通訊。由于其簡(jiǎn)單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設(shè)備，EEPROM等之間的通信。

I2C最重要的功能包括：

• 只需要兩條總線；
• 沒(méi)有嚴(yán)格的波特率要求，例如使用RS232，主設(shè)備生成總線時(shí)鐘；
• 所有組件之間都存在簡(jiǎn)單的主/從關(guān)系，連接到總線的每個(gè)設(shè)備均可通過(guò)唯一地址進(jìn)行軟件尋址；
• I2C是真正的多主設(shè)備總線，可提供仲裁和沖突檢測(cè)；
• 傳輸速度；
• 標(biāo)準(zhǔn)模式：Standard Mode=100? Kbps
• 快速模式：Fast Mode=400? Kbps
• 高速模式：High speed mode=3.4 Mbps
• 超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps
• 最大主設(shè)備數(shù)：無(wú)限制；
• 最大從機(jī)數(shù)：理論上是127；

以上是I2C的一些重要特點(diǎn)，下面會(huì)進(jìn)一步對(duì)I2C進(jìn)行介紹。

硬件層

I2C協(xié)議僅需要一個(gè)SDA和SCL引腳。SDA是串行數(shù)據(jù)線的縮寫(xiě)，而SCL是串行時(shí)鐘線的縮寫(xiě)。這兩條數(shù)據(jù)線需要接上拉電阻。

設(shè)備間的連接如下所示：

使用I2C，可以將多個(gè)從機(jī)（Slave）連接到單個(gè)主設(shè)備（Master），并且還可以有多個(gè)主設(shè)備（Master）控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)（Slave）。

假如希望有多個(gè)微控制器（MCU）將數(shù)據(jù)記錄到單個(gè)存儲(chǔ)卡或?qū)⑽谋撅@示到單個(gè)LCD時(shí)，這個(gè)功能就非常有用。

I2C總線（SDA，SCL）內(nèi)部都使用漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器（開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)），因此SDA和SCL?可以被拉低為低電平，但是不能被驅(qū)動(dòng)為高電平，所以每條線上都要使用一個(gè)上拉電阻，默認(rèn)情況下將其保持在高電平；

上拉電阻的值取決于許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來(lái)計(jì)算正確的上拉電阻值：

其中? 是邏輯低電壓；

是邏輯低電流；

是信號(hào)的最大上升時(shí)間；

是總線（電線）電容；

具體如下所示：

根據(jù)上表，這里不難發(fā)現(xiàn)需要在做電阻選擇需要滿足幾個(gè)條件；

• 灌電流 最大值為 ；
• 另外I2C總線規(guī)范和用戶(hù)手冊(cè)還為低電平輸出電壓 設(shè)置了最大值為0.4V

所以根據(jù)上述公式可以計(jì)算，對(duì)于5V的電源，每個(gè)上拉電阻阻值至少1.53kΩ，而對(duì)于3.3V的電源，每個(gè)電阻阻值至少967Ω。

如果覺(jué)得計(jì)算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ。

上述推導(dǎo)過(guò)程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

最終在調(diào)試的時(shí)候，當(dāng)我們測(cè)量SDA或SCL信號(hào)并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時(shí)，我們就知道可以知道灌電流太高了；

當(dāng)然，這并不意味著每當(dāng)灌電流超過(guò)3mA時(shí)，設(shè)備就會(huì)立即停止工作。但是，在操作超出其規(guī)格的設(shè)備時(shí)，應(yīng)始終小心，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設(shè)備。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過(guò)一條SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)可以分為，開(kāi)始條件，地址位，讀寫(xiě)位，應(yīng)答位，數(shù)據(jù)位，停止條件，具體如下所示；

開(kāi)始條件

當(dāng)主設(shè)備決定開(kāi)始通訊時(shí)，需要發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，需要執(zhí)行以下動(dòng)作；

• 先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；
• 然后將 SCL從高電平切換到低電平；

在主設(shè)備發(fā)送開(kāi)始條件信號(hào)之后，所有從機(jī)即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，并等待接收地址位。

具體如下圖所示；

地址位

通常地址位占7位數(shù)據(jù)，主設(shè)備如果需要向從機(jī)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對(duì)應(yīng)從機(jī)的地址，然后會(huì)匹配總線上掛載的從機(jī)的地址；

I2C還支持10位尋址；

讀寫(xiě)位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?/p>

• 如果主設(shè)備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備，則該位設(shè)置為? 0；
• 如果主設(shè)備需要往從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則將其設(shè)置為? 1?。

ACK / NACK

主機(jī)每次發(fā)送完數(shù)據(jù)之后會(huì)等待從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)ACK；

• 在第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，如果從設(shè)備發(fā)送應(yīng)答信號(hào) ACK，則 SDA會(huì)被拉低；
• 若沒(méi)有應(yīng)答信號(hào) NACK，則 SDA會(huì)輸出為高電平，這過(guò)程會(huì)引起主設(shè)備發(fā)生重啟或者停止；

數(shù)據(jù)塊

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位，由發(fā)送方設(shè)置，它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗健?/p>

發(fā)送之后會(huì)緊跟一個(gè)ACK?/?NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則設(shè)置為0。否則，它保持邏輯“ 1”。

重復(fù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)完全傳輸為止。

停止條件

當(dāng)主設(shè)備決定結(jié)束通訊時(shí)，需要發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，需要執(zhí)行以下動(dòng)作；

• 先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；
• 再將SCL線從高電平拉到低電平；

具體如下圖所示；

實(shí)際上如何工作？

第一步：起始條件

主設(shè)備通過(guò)將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來(lái)向每個(gè)連接的從機(jī)發(fā)送啟動(dòng)條件 ：

第二步：發(fā)送從設(shè)備地址

主設(shè)備向每個(gè)從機(jī)發(fā)送要與之通信的從機(jī)的7位或10位地址，以及相應(yīng)的讀/寫(xiě)位；

第三步：接收應(yīng)答

每個(gè)從設(shè)備將主設(shè)備發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則從設(shè)備通過(guò)將SDA線拉低一位以表示返回一個(gè)ACK位；

如果來(lái)自主設(shè)備的地址與從機(jī)自身的地址不匹配，則從設(shè)備將SDA線拉高，表示返回一個(gè)NACK位；

第四步：收發(fā)數(shù)據(jù)

主設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)到從設(shè)備；

第五步：接收應(yīng)答

在傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備將另一個(gè)ACK位返回給發(fā)送方，以確認(rèn)已成功接收到該幀：

第六步：停止通信

為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機(jī)發(fā)送停止條件；

單個(gè)主設(shè)備連接多個(gè)從機(jī)

I2C總線上的主設(shè)備使用7位地址對(duì)從設(shè)備進(jìn)行尋址，可以使用128（ ）個(gè)從機(jī)地址。

請(qǐng)使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc；

多個(gè)主設(shè)備連接多個(gè)從機(jī)

多個(gè)主設(shè)備可以連接到一個(gè)或多個(gè)從機(jī)；

當(dāng)兩個(gè)主設(shè)備試圖通過(guò)SDA線路同時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，同一系統(tǒng)中的多個(gè)主設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)主設(shè)備都需要在發(fā)送消息之前檢測(cè)SDA線是低電平還是高電平；

• 如果SDA線為低電平，則意味著另一個(gè)主設(shè)備可以控制總線，并且主設(shè)備應(yīng)等待發(fā)送消息。

• 如果SDA線為高電平，則可以安全地發(fā)送消息。

  要將多個(gè)主設(shè)備連接到多個(gè)從機(jī)，請(qǐng)使用下圖，其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

如何編程？

Talk is cheap. Show me the code.

參考了STM32的HAL庫(kù)中I2C驅(qū)動(dòng)，主設(shè)備發(fā)送函數(shù)HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下：

/**
??*?@brief??Transmits?in?master?mode?an?amount?of?data?in?blocking?mode.
??*?@param??hi2c?Pointer?to?a?I2C_HandleTypeDef?structure?that?contains
??*????????????????the?configuration?information?for?the?specified?I2C.
??*?@param??DevAddress?Target?device?address:?The?device?7?bits?address?value
??*?????????in?datasheet?must?be?shifted?to?the?left?before?calling?the?interface
??*?@param??pData?Pointer?to?data?buffer
??*?@param??Size?Amount?of?data?to?be?sent
??*?@param??Timeout?Timeout?duration
??*?@retval?HAL?status
??*/
HAL_StatusTypeDef?HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef?*hi2c,?
??????????????????????????????????????????uint16_t?DevAddress,?
??????????????????????????????????????????uint8_t?*pData,?
??????????????????????????????????????????uint16_t?Size,?
??????????????????????????????????????????uint32_t?Timeout){
??uint32_t?tickstart?=?0x00U;

??/*?Init?tickstart?for?timeout?management*/
??tickstart?=?HAL_GetTick();

??if(hi2c->State?==?HAL_I2C_STATE_READY){
????/*?Wait?until?BUSY?flag?is?reset?*/
????if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c,?I2C_FLAG_BUSY,?SET,?I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG,?tickstart)?!=?HAL_OK){
??????return?HAL_BUSY;
????}

????/*?Process?Locked?*/
????__HAL_LOCK(hi2c);

????/*?Check?if?the?I2C?is?already?enabled?*/
????if((hi2c->Instance->CR1?&?I2C_CR1_PE)?!=?I2C_CR1_PE){
??????/*?Enable?I2C?peripheral?*/
??????__HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
????}

????/*?Disable?Pos?*/
????hi2c->Instance->CR1?&=?~I2C_CR1_POS;

????hi2c->State?????=?HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
????hi2c->Mode??????=?HAL_I2C_MODE_MASTER;
????hi2c->ErrorCode?=?HAL_I2C_ERROR_NONE;

????/*?Prepare?transfer?parameters?*/
????hi2c->pBuffPtr????=?pData;
????hi2c->XferCount???=?Size;
????hi2c->XferOptions?=?I2C_NO_OPTION_FRAME;
????hi2c->XferSize????=?hi2c->XferCount;

????/*?Send?Slave?Address?*/
????if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c,?DevAddress,?Timeout,?tickstart)?!=?HAL_OK){
??????if(hi2c->ErrorCode?==?HAL_I2C_ERROR_AF){
????????/*?Process?Unlocked?*/
????????__HAL_UNLOCK(hi2c);
????????return?HAL_ERROR;
??????}else{
????????/*?Process?Unlocked?*/
????????__HAL_UNLOCK(hi2c);
????????return?HAL_TIMEOUT;
??????}
????}

????/*?Clear?ADDR?flag?*/
????__HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);

????while(hi2c->XferSize?>?0U){
??????/*?Wait?until?TXE?flag?is?set?*/
??????if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c,?Timeout,?tickstart)?!=?HAL_OK){
????????if(hi2c->ErrorCode?==?HAL_I2C_ERROR_AF){
??????????/*?Generate?Stop?*/
??????????hi2c->Instance->CR1?|=?I2C_CR1_STOP;
??????????return?HAL_ERROR;
????????}else{
??????????return?HAL_TIMEOUT;
????????}
??????}
??????/*?Write?data?to?DR?*/
??????hi2c->Instance->DR?=?(*hi2c->pBuffPtr++);
??????hi2c->XferCount--;
??????hi2c->XferSize--;

??????if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c,?I2C_FLAG_BTF)?==?SET)?
?????????&&?(hi2c->XferSize?!=?0U)){
????????/*?Write?data?to?DR?*/
????????hi2c->Instance->DR?=?(*hi2c->pBuffPtr++);
????????hi2c->XferCount--;
????????hi2c->XferSize--;
??????}
??????/*?Wait?until?BTF?flag?is?set?*/
??????if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c,?Timeout,?tickstart)?!=?HAL_OK){
??????????
????????if(hi2c->ErrorCode?==?HAL_I2C_ERROR_AF){
??????????/*?Generate?Stop?*/
??????????hi2c->Instance->CR1?|=?I2C_CR1_STOP;
??????????return?HAL_ERROR;
????????}else{
??????????return?HAL_TIMEOUT;
????????}
??????}
????}

????/*?Generate?Stop?*/
????hi2c->Instance->CR1?|=?I2C_CR1_STOP;

????hi2c->State?=?HAL_I2C_STATE_READY;
????hi2c->Mode?=?HAL_I2C_MODE_NONE;
????
????/*?Process?Unlocked?*/
????__HAL_UNLOCK(hi2c);

????return?HAL_OK;
??}else{
????return?HAL_BUSY;
??}
}

總結(jié)

本文主要介紹I2C的入門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)，從I2C協(xié)議的硬件層，協(xié)議層進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；作者能力有限，難免存在錯(cuò)誤和紕漏，請(qǐng)大佬不吝賜教。