第十章 I2C

10.1 I2C通信¶

10.1.1 I2C通信简介¶

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（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
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）

10.1.2 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

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10.1.3 I2C时序基本单元¶

Danger

应该明白，SCL为时钟线，而SDA为数据传输线。

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

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发送一个字节
1. SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（ 高位先行 ）
2. 然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位
3. 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

再次强调

一个高低电平信号，代表一个二进制位，即一个bit，一个字节位为 8 个bit

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接收一个字节
1. SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（ 高位先行 ）
2. 然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位
  1. 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）

Note

接收和发送主要在于主机和从机，是谁往SDA上放数据和谁从SDA读数据，需要注意的是 主机在接收之前，需要释放SDA ，释放即置高电平。

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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）

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10.1.4 I2C读写时序¶

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）

当前地址读
对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

指定地址读
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

关于“主机发送应答位” 和 “当前地址指针指示的地址”

**当前地址指针指示的地址 **：发送完一个字节后，指针地址会自增 1 ，而地址指针默认指向 0 位置。

**主机发送应答位 **：在发送模式下，主机想要结束，先给从机非应答，防止从机争夺SDA控制权无法生成结束条件。

10.2 软件模拟I2C¶

软件模拟的好处就在于使用灵活，可以自定义引脚，减少硬件资源的使用。我使用PB1作为SDA，PB2作为SCL，两个引脚均配置为 开漏输出模式 和 上拉电阻 ，默认高电平（硬件电路讲过）。

新建sw_I2C.c和sw_I2C.h：

sw_I2C.c

C

#include "swI2C.h"

void delay_us(uint32_t us) {
    uint32_t start = SysTick->VAL;
    uint32_t ticks = us * (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000000); // 计算微秒对应的时钟周期数

    while ((start - SysTick->VAL) < ticks) {
        if (SysTick->VAL > start) { // 如果发生回绕
            start += SysTick->LOAD + 1;
        }
    }
}

/* 改变SDA电平 */
void SDA_Write(uint8_t BitValue)
{
    HAL_GPIO_WritePin(SDA_GPIO_Port, SDA_Pin, (GPIO_PinState) BitValue);
    delay_us(10);
}
/* 改变SCL电平 */
void SCL_Write(uint8_t BitValue)
{
    HAL_GPIO_WritePin(SCL_GPIO_Port, SCL_Pin, (GPIO_PinState) BitValue);
    delay_us(10);
}
/* 读取SDA电平*/
GPIO_PinState SDA_Read(void)
{
    GPIO_PinState BitValue;
    BitValue = HAL_GPIO_ReadPin(SDA_GPIO_Port, SDA_Pin);
    delay_us(10);
    return BitValue;
}

/* brief: I2C开始条件,SCL高电平期,SDA从高电平切换到低电平
 *
 */
void I2C_Start(void)
{
    // 确保SDA为高电平
    SDA_Write(1);
    // 置SCL为高电平
    SCL_Write(1);
    // 置SDA为低电平,完成下降沿
    SDA_Write(0);
    // 置SCL为低电平,为放数据到SDA上做准备
    SCL_Write(0);
}

/* brief: I2C终止条件,SCL高电平期间,SDA从低电平切换到高电平
 *
 */
void I2C_Stop(void)
{
    // 置SDA为低电平
    SDA_Write(0);
    // 置SCL为低电平
    SCL_Write(0);
    // 确保SDA为高电平,完成上升沿
    SDA_Write(1);
}

/* brief: 发送一个字节,数据位依次放到SDA线上
 * 一个字节 8 bit,所以用uint8_t
 */
void I2C_WriteByte(uint8_t Byte)
{
    uint8_t i;
    for (i=0; i<8; i++)
    {
        // 写数据到SDA
        SDA_Write(Byte & (0x80 >> i));
        // 拉高SCL可以让从机读数据
        SCL_Write(1);
        // 拉低SCL继续发送下一位
        SCL_Write(0);
    }
}

/* brief: 接收一个字节,在SCL高电平期间读取数据位
 * 一个字节 8 bit,所以用uint8_t
 */
uint8_t I2C_ReadByte(void)
{
    uint8_t i, Byte=0x00;
    // 主机释放SDA
    SDA_Write(1);
    for (i=0; i<8; i++)
    {
        // 拉高SCL读数据
        SCL_Write(1);
        // 高电平的位补 1 ，其余不变
        if (SDA_Read() == 1) {Byte = Byte | (0x80 >> i);}
        // 拉低SCL继续发送下一位
        SCL_Write(0);
    }
    return Byte;
}

/* brief: 发送应答
 * 就是发送 1 位数据
 */
void I2C_WriteAcK(uint8_t Ack)
{
    SDA_Write((GPIO_PinState)Ack);
    // 拉高SCL可以让从机读数据
    SCL_Write(1);
    // 拉低SCL继续发送下一位
    SCL_Write(0);
}
/* brief: 接收应答
 * 就是接收 1 位数据
 */
uint8_t I2C_ReceiveAck(void)
{
    uint8_t Ack;
    // 主机释放SDA
    SDA_Write(1);
    // 拉高SCL,读数据
    SCL_Write(1);
    Ack = SDA_Read();
    // 拉低SCL继续发送下一位
    SCL_Write(0);
    return Ack;
}

sw_I2C.h

C

#ifndef SW_I2C_SWI2C_H
#define SW_I2C_SWI2C_H

//
#include "gpio.h"

void delay_us(uint32_t us);
void SDA_Write(uint8_t BitValue);
void SCL_Write(uint8_t BitValue);
GPIO_PinState SDA_Read(void);
void I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
void I2C_WriteByte(uint8_t Byte);
uint8_t I2C_ReadByte(void);
void I2C_WriteAcK(uint8_t Ack);
uint8_t I2C_ReceiveAck(void);


#endif //SW_I2C_SWI2C_H