STM32第九章-IIC通信應用

說到IIC(一般也叫I2C，其實都是同樣的)通信，是一種最簡單的通信協議。在學習STM32時第一個接觸的就是串口USART通信協議，接下來就是IIC通信協議了還有的就是SPI協議，SPI咱們下一章再說，這一章就說說IIC吧。不少模塊都用到過IIC通信，最多見的就是4針的0.96寸OLED顯示屏，固然啦在學習STM32是咱們通常最早接觸到就是經過IIC來與EEPROM進行通信，可是本章咱們只講協議自己。編程

1、 IIC 簡介

IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由 PHILIPS 公司開發的兩線式串行總線，用於鏈接微控制器及其外圍設備。它是由數據線 SDA 和時鐘 SCL 構成的串行總線，可發送和接收數據。在 CPU 與被控 IC 之間、IC 與 IC 之間進行雙向傳送，高速 IIC 總線通常可達 400kbps 以上。 I2C 總線在傳送數據過程當中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。 開始信號：SCL 爲高電平時，SDA 由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。 結束信號：SCL 爲高電平時，SDA 由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。 應答信號：接收數據的 IC 在接收到 8bit 數據後，向發送數據的 IC 發出特定的低電平脈衝，表示已收到數據。CPU 向受控單元發出一個信號後，等待受控單元發出一個應答信號，CPU 接收到應答信號後，根據實際狀況做出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷爲受控單元出現故障。這些信號中，起始信號是必需的，結束信號和應答信號均可以不要。 IIC使用 SDA信號線來傳輸數據，使用 SCL信號線進行數據同步。SDA數據線在 SCL的每一個時鐘週期傳輸一位數據。傳輸時，SCL爲高電平的時候 SDA 表示的數據有效，即此時的 SDA 爲高電平時表示數據「1」，爲低電平時表示數據「0」。當 SCL爲低電平時，SDA的數據無效，通常在這個時候SDA進行電平切換，爲下一次表示數據作好準備。每次數據傳輸都以字節爲單位，每次傳輸的字節數不受限制。若是咱們直接控制STM32的兩個GPIO 引腳，分別用做 SCL和SDA，按照上述信號的時序要求，直接像控制 LED 燈那樣控制引腳的輸出(如果接收數據時則讀取 SDA電平)，就能夠實現 IIC通信。一樣假如咱們按照 USART的要求去控制引腳，也能實現 USART通信。因此只要遵照協議，就是標準的通信，無論您如何實現它，無論是ST生產的控制器仍是ATMEL生產的存儲器，都能按通信標準交互。因爲直接控制 GPIO 引腳電平產生通信時序時，須要由 CPU 控制每一個時刻的引腳狀態，因此稱之爲「軟件模擬協議」方式。相對地，還有「硬件協議」方式，STM32 的 IIC片上外設專門負責實現IIC通信協議，只要配置好該外設，它就會自動根據協議要求產生通信信號，收發數據並緩存起來，CPU只要檢測該外設的狀態和訪問數據寄存器，就能完成數據收發。這種由硬件外設處理IIC協議的方式減輕了 CPU 的工做，且使軟件設計更加簡單。緩存

2、通訊特徵：串行、同步、非差分、低速率

I2C屬於串行通訊，全部的數據以位爲單位在SDA線上串行傳輸。
同步通訊就是通訊雙方工做在同一個時鐘下，通常是通訊的A方經過一根CLK信號線傳輸A本身的時鐘給B，B工做在A傳輸的時鐘下。因此同步通訊的顯著特徵就是：通訊線中有CLK。
非差分。由於I2C通訊速率不高，並且通訊雙方距離很近，因此使用電平信號通訊。
低速率。I2C通常是用在同一個板子上的2個IC之間的通訊，並且用來傳輸的數據量不大，因此自己通訊速率很低（通常幾百KHz，不一樣的I2C芯片的通訊速率可能不一樣，具體在編程的時候要看本身所使用的設備容許的I2C通訊最高速率，不能超過這個速率）

突出特徵 1：主設備+從設備(必須明確)

I2C通訊的時候，通訊雙方地位是不對等的，而是分主設備和從設備。通訊由主設備發起，由主設備主導，從設備只是按照I2C協議被動的接受主設備的通訊，並及時響應。markdown
誰是主設備、誰是從設備是由通訊雙方來定的(I2C協議並沒有規定)，通常來講一個芯片能夠只能作主設備、也能夠只能作從設備、也能夠既能當主設備又能當從設備(軟件配置)。函數
有不少人認爲在通訊時單片機是主設備，器件是從設備，這是不嚴謹的。STM32單片機也能夠當從設備，只是你沒見到過罷了。學習

突出特徵 2：能夠多個設備掛在一條總線上(從設備地址)

I2C 通訊能夠一對一(1個主設備對1個從設備)，也能夠一對多(1個主設備對多個從設備)。
主設備來負責調度總線，決定某一時間和哪一個從設備通訊。注意：同一時間內，I2C 的總線上只能傳輸一對設備的通訊信息，因此同一時間只能有一個從設備和主設備通訊，其餘從設備處於「冬眠」狀態，不能出來搗亂，不然通訊就亂套了。
每個 I2C 從設備在通訊中都有一個 I2C 從設備地址，這個設備地址是從設備自己固有的屬性，而後通訊時主設備須要知道本身將要通訊的那個從設備的地址，而後在通訊中經過地址來甄別是否是本身要找的那個從設備。(這個地址是一個電路板上惟一的，不是全球惟一的)

I2C 的總線空閒狀態、起始位、結束位

I2C 總線上有 1 個主設備，n(n>=1)個從設備。I2C 總線上有 2 種狀態；空閒態（全部從設備都未和主設備通訊，此時總線空閒）和忙態（其中一個從設備在和主設備通訊，此時總線被這一對佔用，其餘從設備必須歇着）。
整個通訊分爲一個週期一個週期的，兩個相鄰的通訊週期是空閒態。每個通訊週期由一個起始位開始，一個結束位結束，中間是本週期的通訊數據。
起始位並非一個時間點，起始位是一個時間段，在這段時間內總線狀態變化狀況是：SCL 線維持高電平，同時 SDA 線發生一個從高到低的降低沿。
與起始位類似，結束位也是一個時間段。在這段時間內總線狀態變化狀況是：SCL 線維持高電平，同時 SDA 線發生一個從低到高的上升沿。

如何牢記IIC通訊的起始信號和結束信號的時序？咱們把IIC通訊看作一條遊蕩在水中小船，把船面當作SDA數據線，水面波瀾起伏當作IIC通訊的時鐘SCK，沒有水船就不能走，同理沒有時鐘線就沒有通訊。由於SCL 維持高電平，SDA 線發生一個從高到低的降低沿起始信號就開始了，因此咱們能夠把船頭當作起始信號(想象一下，在湖面上一條彎彎的小船在順水而行)。同時SCL 維持高電平，SDA 線發生一個從低到高的上升沿就是中止信號，故咱們能夠把船尾看作中止信號(小船的船尾是否是與水面夾角爲45°)。所以若是你記不住IIC通訊的時序，請想象一下，你坐在一條小船上，順水而下坐在船上拿着電腦寫着IIC驅動程序就能夠了。 ui

I2C 數據傳輸格式(數據位&ACK)

每個通訊週期的發起和結束都是由主設備來作的，從設備只有被動的響應主設備，無法本身自發的去作任何事情。
主設備在每一個通訊週期會先發8位的從設備地址（其實8位中只有7位是從設備地址，還有1位表示主設備下面要寫入仍是讀出)到總線(主設備是以廣播的形式發送的，只要是總線上的全部從設備其實都能收到這個信息)。而後總線上的每一個從設備都能收到這個地址，而且收到地址後和本身的設備地址比較看是否相等。若是相等說明主設備本次通訊就是給我說話，若是不想等說明此次通訊與我無關，不用聽了無論了。
發送方發送一段數據後，接收方須要迴應一個 ACK。這個響應自己只有1個 bit 位，不能攜帶有效信息，只能表示 2 個意思(要麼表示收到數據，即有效響應；要麼表示未收到數據，無效響應)。應答信號ACK只能是必須是接收方發送，由於只有發送方發送數據後接收方纔能應答。
在某一個通訊時刻，主設備和從設備只能有一個在發(佔用總線，也就是向總線寫)，另在每一個時鐘的上升沿，把要發送的數據準備好，發送的纔有效應答信號ACK只能是必須是接收方發送，由於只有發送方發送數據後接收方纔能應答一個在收(從總線讀)。若是在某個時間主設備和從設備都試圖向總線寫那就完蛋了，通訊就亂套了。

數據在總線上的傳輸協議

I2C通訊時的基本數據單位也是以字節爲單位的，每次傳輸的有效數據都是1個字節（8位）。
起始位及其後的8個CLK中都是主設備在發送(主設備掌控總線)，此時從設備只能讀取總線，經過讀總線來得知主設備發給從設備的信息；而後到了第9週期，按照協議規定從設備須要發送ACK給主設備，因此此時主設備必須釋放總線(主設備把總線置爲高電平而後不要動，其實就相似於總線空閒狀態)，同時從設備試圖拉低總線後發出ACK。若是從設備拉低總線失敗，或者從設備根本就沒有拉低總線，則主設備看到的現象就是總線在第9週期仍然一直保持高，這對主設備來講，意味着我沒收到ACK，主設備就認爲剛纔給從設備發送的8字節不對（接收失敗）

2、軟件模擬協議

1.IIC初始化函數

功能：配置IIC的時鐘線和數據線spa

void IIC_Init(void) {					     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);		   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推輓輸出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;
}
複製代碼

由於是軟件模擬IIC那麼咱們選擇IIC通信的引腳就相對來講說比較隨意，具體使用的引腳可查閱《STM32F1xx 規格書》，以它爲準。這裏咱們就選擇PC十一、PC12做爲IIC的數據和時鐘引腳。設置爲推輓輸出便可。設計

2.起始信號

功能: CPU發起I2C總線起始信號code

void IIC_Start(void) {
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:當 CLK 爲高電平時,DATA 從高到低改變
	delay_us(4);	
	IIC_SCL=0;//鉗住I2C總線，準備發送或接收數據 
	delay_us(4);
}
複製代碼

起始信號產生後，全部從機設備就開始等待STM32緊接下來的從機地址信號。在IIC總線上，每一個設備的地址都是惟一的，當主機廣播的地址與某個設備地址相同時，這個設備就被選中了，沒被選中的設備將會忽略以後的數據信號。根據IIC協議，這個從機地址能夠是 7位或10位。在地址位以後，是傳輸方向的選擇位，該位爲 0時，表示後面的數據傳輸方向是由主機傳輸至從機，即主機向從機寫數據。該位爲 1時，則相反，即主機由從機讀數據。orm

3.等待應答信號

功能：CPU 產生一個時鐘，並讀取器件的 ACK 應答信號

//返回值：1，接收應答失敗 0，接收應答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void) {
	u8 re;
	IIC_SDA=1;delay_us(1);//CPU釋放SDA總線 
	IIC_SCL=1;delay_us(1);//CPU驅動SCL=1,此時器件會返回ACK應答
	if(READ_SDA){//CPU讀取SDA口線狀態
	   re=1;
	}else{
	  re=0;
	}	
	IIC_SCL=0;//時鐘輸出0 
	return re;  
} 
複製代碼

該函數用於 STM32 做爲發送方時，等待及處理接收方傳來的響應或非響應信號，即通常調用前面的 IIC_SendByte 函數後，再調用本函數檢測響應。 STM32控制 SDA 信號線輸出高阻態，釋放它對 SDA的控制權，由接收方控制；控制 SCL 信號線切換高低電平，產生一個時鐘信號，根據IIC協議，此時接收方若把 SDA 設置爲低電平，就表示返回一個「應答」信號，若 SDA 保持爲高電平，則表示返回一個「非應答」信號；在 SCL 切換高低電平之間，有個延時確保給予了足夠的時間讓接收方返回應答信號，延時後使用宏SDA_READ 讀取 SDA 線的電平，根據電平值賦予 re 變量的值；函數的最後返回 re的值，接收到響應時返回 0，未接收到響應時返回 1。當 STM32 做爲數據接收端，調用 IIC_ReadByte 函數後，須要給發送端返回應答或非應答信號，此時可以使用 IIC_Ack及 IIC_Nack 函數處理，該處理與 IIC_Wait_Ack函數相反，此時 SDA線也由 STM32控制。

4.應答信號

功能: CPU 產生一個 ACK 信號

//CPU產生一個ACK信號
void IIC_Ack(void) {
	IIC_SDA=0;//CPU驅動SDA=0
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;//CPU產生一個時鐘
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
	delay_us(2);
	IIC_SDA=1;//CPU釋放SDA總線
}
//CPU產生1個NACK信號
void IIC_Nack (void) {
	IIC_SDA=1();//CPU驅動SDA=1
	delay_us(2);
	IIC_SDA=1;//CPU產生1個時鐘
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
	delay_us(2);	
}
複製代碼

I2C 的數據和地址傳輸都帶響應。響應包括「應答(ACK)」和「非應答(NACK)」兩種信號。做爲數據接收端時，當設備接收到 I2C 傳輸的一個字節數據或地址後，若但願對方繼續發送數據，則須要向對方發送「應答(ACK)」信號，發送方會繼續發送下一個數據；若接收端但願結束數據傳輸，則向對方發送「非應答(NACK)」信號，發送方接收到該信號後會產生一箇中止信號，結束信號傳輸。代碼的具體流程就是：根據要返回「應答」仍是「非應答」信號，先準備好 SDA 線的電平，IIC_Ack函數中把 SDA 線設置爲低電平，表示「應答」信號，IIC_Nack 函數中把 SDA 線設置爲高電平，表示「非應答」信號；控制 SCL 線進行高低電平切換，產生一個時鐘信號，在 SCL 線的高低電平之間加入一個延時，確保有足夠的時間讓通信的另外一方接收到 SDA信號線的電平；在 IIC_Ack 函數的末尾，響應信號發送結束後，從新把 SDA 線設置爲高電平以釋放總線的控制權，方便後續的通信。

5.中止信號

功能：CPU 發起 I2C 總線中止信號

{	
	IIC_SDA=0;//STOP:當 CLK 爲高電平時候， SDA出現一個上調錶示IIC總線中止信號
	IIC_SCL=1;
 	delay_us(4);
	IIC_SDA=1;//發送I2C總線結束信號 
}
複製代碼

中止信號直接看是時序圖就能夠搞定了，在SCL和SDA都爲低電平的狀況下，首先把時鐘線SCL拉高，再把數據線SDA拉高，IIC就會結束傳輸了。以上就是軟件模擬IIC協議了，在平時的應用中咱們實際上不須要掌握這些具體的代碼，只要知道IIC協議的過程原理就好了，應爲通常來講咱們用的都是別人寫好的代碼，咱們只須要會用就能夠了，若是你的代碼和我這些有出入也沒有關係，只要能正常通信便可，固然若是你的設計在過程當中出現了一些問題，或者顯示不正常，咱們首先考慮的也不是底層協議的問題，而是你代碼的其餘問題。

6.IIC發送字節

功能: CPU向I2C總線設備發送8bit數據

void IIC_SendByte(u8 Byte) {
	u8 i;
	/* 先發送字節的高位bit7 */
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{		
		if (Byte & 0x80)
		{
		  IIC_SDA=1;
		}
		else
		{
			IIC_SDA=0;
		}
		i2c_Delay();
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2);
		IIC_SCL=0;
		if (i == 7)
		{
			 IIC_SDA=1;// 釋放總線
		}
		Byte <<= 1;	/* 左移一個bit */
		delay_us(2);
	}
}
複製代碼

該函數以其輸入參數做爲要使用 I2C 協議輸出的數據，該數據大小爲一字節。函數的主體是一個 8 次的 for 循環，循環體執行一次將會對外發送一個數據位，循環結束時恰好發送完該字節數據。步驟分解以下：首先程序對輸入參數Byte 和 0x80「與」運算，判斷其最高位的邏輯值，爲 1 時控制 SDA輸出高電平，爲 0則控制 SDA輸出低電平；接下來延時，以此保證 SDA 線輸出的電平已穩定，再進行後續操做；以後控制 SCL線產生高低電平跳變，也就是產生 I2C協議中 SCL線的通信時鐘；在 SCL線高低電平之間有個延時，該延時期間 SCL線維持高電平，根據 I2C協議，此時數據有效，通信的另外一方會在此時讀取 SDA 線的電平邏輯，高電平時接收到該位爲數據 1，不然爲 0；就這樣一次循環體執行結束，Byte 左移一位以便下次循環發送下一位的數據；如次循環 8 次，把Byte 中的 8 位個數據位發送完畢，在最後一位發送完成後（此時循環計數器 i=7），控制 SDA 線輸出 1（即高阻態），也就是說發送方釋放 SDA總線，等待接收方的應答信號。

7.IIC讀取字節

功能: CPU從IIC總線設備讀取8bit數據

u8_t IIC_ReadByte(void) {
	u8 i;
	u8 value;
	//讀到第1個bit爲數據的bit7
	value = 0;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		value <<= 1;
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2);
		if (DA_READ)
		{
			value++;
		}
		IIC_SCL=0;
		delay_us(2);
	}
	return value;
}
複製代碼

IIC_ReadByte 函數也是以 for 循環爲主體，循環體會被執行 8次，執行完畢後將會接收到一個字節的數據，循環體接收數據的流程以下：首先使用一個變量 value 暫存要接收的數據，每次循環開始前先對 value 的值左移 1 位，以給 value 變量的 bit0 騰出空間，bit0 將用於緩存最新接收到的數據位，一位一位地接收並移位，最後拼出完整的 8位數據；而後控制 SCL線進行高低電平切換，輸出 I2C 協議通信用的時鐘；在 SCL 線高低電平切換之間，有個延時，該延時確保給予了足夠的時間讓數據發送方進行處理，即發送方在 SCL 時鐘驅動下經過 SDA 信號線發出電平邏輯信號，而這個延時以後，做爲數據接收端的 STM32 使用宏 SDA_READ讀取 SDA信號線的電平，若信號線爲 1，則 value++，即把它的 bit0置 1，不然不操做（這樣該位將保持爲 0），這樣就讀取到了一位的數據；接下來SCL線切換成低電平後，加入延時，以便接收端根據須要切換 SDA 線輸出數據；直到循環結束後，value 變量中包含有 1 個字節數據，使用 return 把它做爲函數返回值返回；

3、硬件協議

相對來講，硬件IIC直接使用外設來控制引腳，能夠減輕 CPU 的負擔。不過使用硬件IIC 時必須使用某些固定的引腳做爲 SCL 和 SDA，軟件模擬IIC則可使用任意 GPIO 引腳，相對比較靈活。 STM32的IIC外設可用做通信的主機或從機，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7位、10位設備地址，支持 DMA數據傳輸，並具備數據校驗功能。它的IIC外設還支持 SMBus2.0協，SMBus 協議與IIC相似，主要應用於筆記本電腦的電池管理中。 STM32 芯片有多個IIC外設，它們的IIC通信信號引出到不一樣的 GPIO 引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳，GPIO引腳的複用功能，可查閱《STM32F1xx 規格書》，以它爲準。

IIC初始化函數

void IIC_init(void) {
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;// 開漏輸出 
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;//給一箇中止信號, 復位I2C總線上的全部設備到待機模式
}
複製代碼

由於是硬件IIC直接使用外設來控制引腳，那麼咱們選擇IIC通信的引腳就比較固定，具體使用的引腳可查閱《STM32F1xx 規格書》，以它爲準。能夠看到PB6和PB7兩個引腳能夠做爲IIC的通信引腳，並且PB6爲SCL時鐘線，而PB7則爲SDA數據線，並設置爲開漏輸出。這裏爲啥設置爲開漏輸出的方式呢？這是因爲使用的是軟件模擬IIC方式，而IIC協議的 GPIO 必須的開漏輸出模式，開漏輸出模式在輸出高電平時實際輸出高阻態，當IIC該總線上全部設備都輸出高阻態時，由外部的上拉電阻上拉爲高電平。另外當 STM32 的 GPIO 配置成開漏輸出模式時，它仍然能夠經過讀取GPIO 的輸入數據寄存器獲取外部對引腳的輸入電平，也就是說它同時具備浮空輸入模式的功能，所以在後面控制 SDA線對外輸出電平或讀取 SDA線的電平信號時不須要切換 GPIO的模式。另外在應交IIC協議之下，它的起始信號、等待應答信號、應答信號、中止信號都與軟件模擬IIC協議之下的函數相同，在這裏我就不重複說明了。總結：IIC通信協議很簡單，在實際項目中咱們不須要掌握具體的IIC協議代碼，只要會用便可，做爲最多見且經常使用的協議，咱們最好可以背下來或者有所瞭解。如今IIC通信不陌生了吧！