STM32第九章-IIC通信应用

说到IIC(一般也叫I2C，其实都是同样的)通信，是一种最简单的通信协议。在学习STM32时第一个接触的就是串口USART通信协议，接下来就是IIC通信协议了还有的就是SPI协议，SPI咱们下一章再说，这一章就说说IIC吧。不少模块都用到过IIC通信，最多见的就是4针的0.96寸OLED显示屏，固然啦在学习STM32是咱们通常最早接触到就是经过IIC来与EEPROM进行通信，可是本章咱们只讲协议自己。编程

1、 IIC 简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于链接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线通常可达 400kbps 以上。 I2C 总线在传送数据过程当中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际状况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号均可以不要。 IIC使用 SDA信号线来传输数据，使用 SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在 SCL的每一个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候 SDA 表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL为低电平时，SDA的数据无效，通常在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据作好准备。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。若是咱们直接控制STM32的两个GPIO 引脚，分别用做 SCL和SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制 LED 灯那样控制引脚的输出(如果接收数据时则读取 SDA电平)，就能够实现 IIC通信。一样假如咱们按照 USART的要求去控制引脚，也能实现 USART通信。因此只要遵照协议，就是标准的通信，无论您如何实现它，无论是ST生产的控制器仍是ATMEL生产的存储器，都能按通信标准交互。因为直接控制 GPIO 引脚电平产生通信时序时，须要由 CPU 控制每一个时刻的引脚状态，因此称之为“软件模拟协议”方式。相对地，还有“硬件协议”方式，STM32 的 IIC片上外设专门负责实现IIC通信协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通信信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了 CPU 的工做，且使软件设计更加简单。缓存

2、通讯特征：串行、同步、非差分、低速率

I2C属于串行通讯，全部的数据以位为单位在SDA线上串行传输。
同步通讯就是通讯双方工做在同一个时钟下，通常是通讯的A方经过一根CLK信号线传输A本身的时钟给B，B工做在A传输的时钟下。因此同步通讯的显著特征就是：通讯线中有CLK。
非差分。由于I2C通讯速率不高，并且通讯双方距离很近，因此使用电平信号通讯。
低速率。I2C通常是用在同一个板子上的2个IC之间的通讯，并且用来传输的数据量不大，因此自己通讯速率很低（通常几百KHz，不一样的I2C芯片的通讯速率可能不一样，具体在编程的时候要看本身所使用的设备容许的I2C通讯最高速率，不能超过这个速率）

突出特征 1：主设备+从设备(必须明确)

I2C通讯的时候，通讯双方地位是不对等的，而是分主设备和从设备。通讯由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接受主设备的通讯，并及时响应。markdown
谁是主设备、谁是从设备是由通讯双方来定的(I2C协议并没有规定)，通常来讲一个芯片能够只能作主设备、也能够只能作从设备、也能够既能当主设备又能当从设备(软件配置)。函数
有不少人认为在通讯时单片机是主设备，器件是从设备，这是不严谨的。STM32单片机也能够当从设备，只是你没见到过罢了。学习

突出特征 2：能够多个设备挂在一条总线上(从设备地址)

I2C 通讯能够一对一(1个主设备对1个从设备)，也能够一对多(1个主设备对多个从设备)。
主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪一个从设备通讯。注意：同一时间内，I2C 的总线上只能传输一对设备的通讯信息，因此同一时间只能有一个从设备和主设备通讯，其余从设备处于“冬眠”状态，不能出来捣乱，不然通讯就乱套了。
每个 I2C 从设备在通讯中都有一个 I2C 从设备地址，这个设备地址是从设备自己固有的属性，而后通讯时主设备须要知道本身将要通讯的那个从设备的地址，而后在通讯中经过地址来甄别是否是本身要找的那个从设备。(这个地址是一个电路板上惟一的，不是全球惟一的)

I2C 的总线空闲状态、起始位、结束位

I2C 总线上有 1 个主设备，n(n>=1)个从设备。I2C 总线上有 2 种状态；空闲态（全部从设备都未和主设备通讯，此时总线空闲）和忙态（其中一个从设备在和主设备通讯，此时总线被这一对占用，其余从设备必须歇着）。
整个通讯分为一个周期一个周期的，两个相邻的通讯周期是空闲态。每个通讯周期由一个起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通讯数据。
起始位并非一个时间点，起始位是一个时间段，在这段时间内总线状态变化状况是：SCL 线维持高电平，同时 SDA 线发生一个从高到低的降低沿。
与起始位类似，结束位也是一个时间段。在这段时间内总线状态变化状况是：SCL 线维持高电平，同时 SDA 线发生一个从低到高的上升沿。

如何牢记IIC通讯的起始信号和结束信号的时序？咱们把IIC通讯看作一条游荡在水中小船，把船面当作SDA数据线，水面波澜起伏当作IIC通讯的时钟SCK，没有水船就不能走，同理没有时钟线就没有通讯。由于SCL 维持高电平，SDA 线发生一个从高到低的降低沿起始信号就开始了，因此咱们能够把船头当作起始信号(想象一下，在湖面上一条弯弯的小船在顺水而行)。同时SCL 维持高电平，SDA 线发生一个从低到高的上升沿就是中止信号，故咱们能够把船尾看作中止信号(小船的船尾是否是与水面夹角为45°)。所以若是你记不住IIC通讯的时序，请想象一下，你坐在一条小船上，顺水而下坐在船上拿着电脑写着IIC驱动程序就能够了。 ui

I2C 数据传输格式(数据位&ACK)

每个通讯周期的发起和结束都是由主设备来作的，从设备只有被动的响应主设备，无法本身自发的去作任何事情。
主设备在每一个通讯周期会先发8位的从设备地址（其实8位中只有7位是从设备地址，还有1位表示主设备下面要写入仍是读出)到总线(主设备是以广播的形式发送的，只要是总线上的全部从设备其实都能收到这个信息)。而后总线上的每一个从设备都能收到这个地址，而且收到地址后和本身的设备地址比较看是否相等。若是相等说明主设备本次通讯就是给我说话，若是不想等说明此次通讯与我无关，不用听了无论了。
发送方发送一段数据后，接收方须要回应一个 ACK。这个响应自己只有1个 bit 位，不能携带有效信息，只能表示 2 个意思(要么表示收到数据，即有效响应；要么表示未收到数据，无效响应)。应答信号ACK只能是必须是接收方发送，由于只有发送方发送数据后接收方才能应答。
在某一个通讯时刻，主设备和从设备只能有一个在发(占用总线，也就是向总线写)，另在每一个时钟的上升沿，把要发送的数据准备好，发送的才有效应答信号ACK只能是必须是接收方发送，由于只有发送方发送数据后接收方才能应答一个在收(从总线读)。若是在某个时间主设备和从设备都试图向总线写那就完蛋了，通讯就乱套了。

数据在总线上的传输协议

I2C通讯时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。
起始位及其后的8个CLK中都是主设备在发送(主设备掌控总线)，此时从设备只能读取总线，经过读总线来得知主设备发给从设备的信息；而后到了第9周期，按照协议规定从设备须要发送ACK给主设备，因此此时主设备必须释放总线(主设备把总线置为高电平而后不要动，其实就相似于总线空闲状态)，同时从设备试图拉低总线后发出ACK。若是从设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高，这对主设备来讲，意味着我没收到ACK，主设备就认为刚才给从设备发送的8字节不对（接收失败）

2、软件模拟协议

1.IIC初始化函数

功能：配置IIC的时钟线和数据线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;//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;
}
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由于是软件模拟IIC那么咱们选择IIC通信的引脚就相对来讲说比较随意，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。这里咱们就选择PC十一、PC12做为IIC的数据和时钟引脚。设置为推挽输出便可。设计

2.起始信号

功能: CPU发起I2C总线起始信号code

void IIC_Start(void) {
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:当 CLK 为高电平时,DATA 从高到低改变
	delay_us(4);	
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
	delay_us(4);
}
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起始信号产生后，全部从机设备就开始等待STM32紧接下来的从机地址信号。在IIC总线上，每一个设备的地址都是惟一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略以后的数据信号。根据IIC协议，这个从机地址能够是 7位或10位。在地址位以后，是传输方向的选择位，该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。orm

3.等待应答信号

功能：CPU 产生一个时钟，并读取器件的 ACK 应答信号

//返回值：1，接收应答失败 0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void) {
	u8 re;
	IIC_SDA=1;delay_us(1);//CPU释放SDA总线 
	IIC_SCL=1;delay_us(1);//CPU驱动SCL=1,此时器件会返回ACK应答
	if(READ_SDA){//CPU读取SDA口线状态
	   re=1;
	}else{
	  re=0;
	}	
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 
	return re;  
} 
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该函数用于 STM32 做为发送方时，等待及处理接收方传来的响应或非响应信号，即通常调用前面的 IIC_SendByte 函数后，再调用本函数检测响应。 STM32控制 SDA 信号线输出高阻态，释放它对 SDA的控制权，由接收方控制；控制 SCL 信号线切换高低电平，产生一个时钟信号，根据IIC协议，此时接收方若把 SDA 设置为低电平，就表示返回一个“应答”信号，若 SDA 保持为高电平，则表示返回一个“非应答 ”信号；在 SCL 切换高低电平之间，有个延时确保给予了足够的时间让接收方返回应答信号，延时后使用宏SDA_READ 读取 SDA 线的电平，根据电平值赋予 re 变量的值；函数的最后返回 re的值，接收到响应时返回 0，未接收到响应时返回 1。当 STM32 做为数据接收端，调用 IIC_ReadByte 函数后，须要给发送端返回应答或非应答信号，此时可以使用 IIC_Ack及 IIC_Nack 函数处理，该处理与 IIC_Wait_Ack函数相反，此时 SDA线也由 STM32控制。

4.应答信号

功能: CPU 产生一个 ACK 信号

//CPU产生一个ACK信号
void IIC_Ack(void) {
	IIC_SDA=0;//CPU驱动SDA=0
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;//CPU产生一个时钟
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
	delay_us(2);
	IIC_SDA=1;//CPU释放SDA总线
}
//CPU产生1个NACK信号
void IIC_Nack (void) {
	IIC_SDA=1();//CPU驱动SDA=1
	delay_us(2);
	IIC_SDA=1;//CPU产生1个时钟
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
	delay_us(2);	
}
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I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。做为数据接收端时，当设备接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若但愿对方继续发送数据，则须要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端但愿结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个中止信号，结束信号传输。代码的具体流程就是：根据要返回“应答”仍是“非应答”信号，先准备好 SDA 线的电平，IIC_Ack函数中把 SDA 线设置为低电平，表示“应答”信号，IIC_Nack 函数中把 SDA 线设置为高电平，表示“非应答”信号；控制 SCL 线进行高低电平切换，产生一个时钟信号，在 SCL 线的高低电平之间加入一个延时，确保有足够的时间让通信的另外一方接收到 SDA信号线的电平；在 IIC_Ack 函数的末尾，响应信号发送结束后，从新把 SDA 线设置为高电平以释放总线的控制权，方便后续的通信。

5.中止信号

功能：CPU 发起 I2C 总线中止信号

{	
	IIC_SDA=0;//STOP:当 CLK 为高电平时候， SDA出现一个上调表示IIC总线中止信号
	IIC_SCL=1;
 	delay_us(4);
	IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号 
}
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中止信号直接看是时序图就能够搞定了，在SCL和SDA都为低电平的状况下，首先把时钟线SCL拉高，再把数据线SDA拉高，IIC就会结束传输了。以上就是软件模拟IIC协议了，在平时的应用中咱们实际上不须要掌握这些具体的代码，只要知道IIC协议的过程原理就好了，应为通常来讲咱们用的都是别人写好的代码，咱们只须要会用就能够了，若是你的代码和我这些有出入也没有关系，只要能正常通信便可，固然若是你的设计在过程当中出现了一些问题，或者显示不正常，咱们首先考虑的也不是底层协议的问题，而是你代码的其余问题。

6.IIC发送字节

功能: CPU向I2C总线设备发送8bit数据

void IIC_SendByte(u8 Byte) {
	u8 i;
	/* 先发送字节的高位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;// 释放总线
		}
		Byte <<= 1;	/* 左移一个bit */
		delay_us(2);
	}
}
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该函数以其输入参数做为要使用 I2C 协议输出的数据，该数据大小为一字节。函数的主体是一个 8 次的 for 循环，循环体执行一次将会对外发送一个数据位，循环结束时恰好发送完该字节数据。步骤分解以下：首先程序对输入参数Byte 和 0x80“与”运算，判断其最高位的逻辑值，为 1 时控制 SDA输出高电平，为 0则控制 SDA输出低电平；接下来延时，以此保证 SDA 线输出的电平已稳定，再进行后续操做；以后控制 SCL线产生高低电平跳变，也就是产生 I2C协议中 SCL线的通信时钟；在 SCL线高低电平之间有个延时，该延时期间 SCL线维持高电平，根据 I2C协议，此时数据有效，通信的另外一方会在此时读取 SDA 线的电平逻辑，高电平时接收到该位为数据 1，不然为 0；就这样一次循环体执行结束，Byte 左移一位以便下次循环发送下一位的数据；如次循环 8 次，把Byte 中的 8 位个数据位发送完毕，在最后一位发送完成后（此时循环计数器 i=7），控制 SDA 线输出 1（即高阻态），也就是说发送方释放 SDA总线，等待接收方的应答信号。

7.IIC读取字节

功能: CPU从IIC总线设备读取8bit数据

u8_t IIC_ReadByte(void) {
	u8 i;
	u8 value;
	//读到第1个bit为数据的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;
}
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IIC_ReadByte 函数也是以 for 循环为主体，循环体会被执行 8次，执行完毕后将会接收到一个字节的数据，循环体接收数据的流程以下：首先使用一个变量 value 暂存要接收的数据，每次循环开始前先对 value 的值左移 1 位，以给 value 变量的 bit0 腾出空间，bit0 将用于缓存最新接收到的数据位，一位一位地接收并移位，最后拼出完整的 8位数据；而后控制 SCL线进行高低电平切换，输出 I2C 协议通信用的时钟；在 SCL 线高低电平切换之间，有个延时，该延时确保给予了足够的时间让数据发送方进行处理，即发送方在 SCL 时钟驱动下经过 SDA 信号线发出电平逻辑信号，而这个延时以后，做为数据接收端的 STM32 使用宏 SDA_READ读取 SDA信号线的电平，若信号线为 1，则 value++，即把它的 bit0置 1，不然不操做（这样该位将保持为 0），这样就读取到了一位的数据；接下来SCL线切换成低电平后，加入延时，以便接收端根据须要切换 SDA 线输出数据；直到循环结束后，value 变量中包含有 1 个字节数据，使用 return 把它做为函数返回值返回；

3、硬件协议

相对来讲，硬件IIC直接使用外设来控制引脚，能够减轻 CPU 的负担。不过使用硬件IIC 时必须使用某些固定的引脚做为 SCL 和 SDA，软件模拟IIC则可使用任意 GPIO 引脚，相对比较灵活。 STM32的IIC外设可用做通信的主机或从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7位、10位设备地址，支持 DMA数据传输，并具备数据校验功能。它的IIC外设还支持 SMBus2.0协，SMBus 协议与IIC相似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中。 STM32 芯片有多个IIC外设，它们的IIC通信信号引出到不一样的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。

IIC初始化函数

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;// 开漏输出 
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;//给一个中止信号, 复位I2C总线上的全部设备到待机模式
}
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由于是硬件IIC直接使用外设来控制引脚，那么咱们选择IIC通信的引脚就比较固定，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。能够看到PB6和PB7两个引脚能够做为IIC的通信引脚，并且PB6为SCL时钟线，而PB7则为SDA数据线，并设置为开漏输出。这里为啥设置为开漏输出的方式呢？这是因为使用的是软件模拟IIC方式，而IIC协议的 GPIO 必须的开漏输出模式，开漏输出模式在输出高电平时实际输出高阻态，当IIC该总线上全部设备都输出高阻态时，由外部的上拉电阻上拉为高电平。另外当 STM32 的 GPIO 配置成开漏输出模式时，它仍然能够经过读取GPIO 的输入数据寄存器获取外部对引脚的输入电平，也就是说它同时具备浮空输入模式的功能，所以在后面控制 SDA线对外输出电平或读取 SDA线的电平信号时不须要切换 GPIO的模式。另外在应交IIC协议之下，它的起始信号、等待应答信号、应答信号、中止信号都与软件模拟IIC协议之下的函数相同，在这里我就不重复说明了。总结：IIC通信协议很简单，在实际项目中咱们不须要掌握具体的IIC协议代码，只要会用便可，做为最多见且经常使用的协议，咱们最好可以背下来或者有所了解。如今IIC通信不陌生了吧！