通信协议——I2C总线

    I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线，由SCL和SDA两根线即可连接于总线上的器件之间传送信息。

其中SCL为时钟线，SDA为数据线，在时钟线SCL控制的时钟信号下，SDA进行数据的传送，而SDA上传送的每个字节必须为8位，每个字节后跟一个响应位，而传输是一位位进行的，其首先传输的是最高位。

一、I2C时序图及程序

1、起始信号和终止信号

    起始信号从时序图可看出，先拉高SDA和SCL，然后拉低SDA，一般START信号到这里就结束了，但为了后面的发送字节、读字节等的方便，所以一般在拉低SDA并延时一小段时间后再拉低SCL。

终止信号，拉低SDA然后拉高SCL，最后再拉高SDA就完成了终止信号的发送。

具体程序可参考如下：

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1. /*******************************************************************************  
2. * 函 数 名         : I2C_Start()  
3. * 函数功能         : 起始信号：在I2C_SCL时钟信号在高电平期间I2C_SDA信号产生一个下降沿  
4. * 输    入         : 无  
5. * 输    出         : 无  
6. * 备    注         : 起始之后I2C_SDA和I2C_SCL都为0  
7. *******************************************************************************/  
8. void I2C_Start()  
9. {  
10.     I2C_SDA = 1;  
11.     I2C_SCL = 1;  
12.     I2C_Delay_us(5);//建立时间是I2C_SDA保持时间>4.7us  
13.     I2C_SDA = 0;  
14.     I2C_Delay_us(4);//保持时间是>4us  
15.     I2C_SCL = 0;                  
16. }  
17.   
18. /*******************************************************************************  
19. * 函 数 名           : I2C_Stop()  
20. * 函数功能           : 终止信号：在I2C_SCL时钟信号高电平期间I2C_SDA信号产生一个上升沿  
21. * 输    入           : 无  
22. * 输    出             : 无  
23. * 备    注           : 结束之后保持I2C_SDA和I2C_SCL都为1；表示总线空闲  
24. *******************************************************************************/  
25. void I2C_Stop()  
26. {  
27.     I2C_SDA = 0;  
28.     I2C_Delay_us(4);  
29.     I2C_SCL = 1;  
30.     I2C_SDA = 1;          
31. }  

2.I2C发送字节和读字节

    如时序图所示，在SCL为低电平的时候，SDA处于数据转换的状态，此时数据状态是不稳定的也是不确定的，当SCL处于高电平后，此时在SDA上传输的数据稳定，而传输的可能是高电平，也可能是低电平。

对于发送字节，先拉低SCL，根据要发送的字节的当前正在处理的某一位的高低来转换给SDA，在转换完后，拉高SCL，进行数据传输。

对于读字节，因为读字节时读SDA线上是高电平还是低电平，因此应该要先拉高SCL，然后判断SDA上的数据是高还是低并赋值给相应的变量，然后再拉低SCL。

具体程序可参考如下：

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1. /*******************************************************************************  
2. * 函 数 名           : I2C_SendByte(unsigned char byt)  
3. * 函数功能           : 发送一个字节  
4. * 输    入           : byt  
5. * 输    出             : 无  
6. * 备    注           : 无  
7. *******************************************************************************/  
8. void I2C_SendByte(unsigned char byt)  
9. {  
10.     unsigned char i;  
11.     I2C_SCL = 0;  
12.     for(i = 0;i < 8;i++)  
13.     {          
14.         if(byt&0x80)              //从最高位开始判断发送的字节byt是0还是1来判断I2C_SDA是0还是1  
15.         {  
16.             I2C_SDA = 1;  
17.         }  
18.         else  
19.         {  
20.             I2C_SDA = 0;  
21.         }             
22.         byt <<= 1;              //判断完一位后，那么要左移一位，让下一位继续判断，一个字节8位，所以一共是要判断8次  
23.         delay_us(2);  
24.         I2C_SCL = 1;          
25.         delay_us(2);  
26.         I2C_SCL = 0;  
27.     }  
28.     I2C_SCL = 0;  
29. }  
30.   
31. /*******************************************************************************  
32. * 函 数 名           : unsigned char IIC_Read_Byte(unsigned char ack)  
33. * 函数功能           : 读一个字节  
34. * 输    入           : ack(0或1)  
35. * 输    出             : 读到的一个字节dat  
36. * 备    注           : 无  
37. *******************************************************************************/  
38. unsigned char IIC_Read_Byte(unsigned char ack)  
39. {  
40.     unsigned char i,dat = 0;  
41.     I2C_SCL = 0;  
42.     for(i = 0;i < 8;i++ )  
43.     {  
44.         IIC_SCL = 1;  
45.         dat <<= 1;  
46.         if(I2C_SDA)      //根据I2C_SDA的高低来一位一位赋值给dat  
47.         {   
48.             dat |= 0x01;   
49.         }             
50.         delay_us(1);   
51.         I2C_SCL = 0;  
52.     }                      
53.     IIC_Ack(ack);     //如果只接收1个字节的数据，则发送非应答信号1，  
54.                       //然后产生stop信号，告诉从机单片机停止接收数据，也就是不用再发了  
55.                       //如果要接收多个字节数据，则接收完一个字节数据后要发送应答信号0，  
56.                       //告诉从机要继续发给单片机  
57.     return dat;  
58. }  

3.I2C主机等待应答和产生应答

    等待应答和产生应答类似于读字节和写字节，不同的是读和写字节是一个字节8位，因此函数内部进行了8次循环，而等待应答和产生应答只需处理一位数据，所以不需要循环，其本质是差不多的，在这里就不再讲述了，具体可参考下面的程序去理解：

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1. /*******************************************************************************  
2. * 函 数 名           : I2C_Wait_Ack()  
3. * 函数功能           : 等待应答：即等待从设备把I2C_SDA拉低  
4. * 输    入           : 无  
5. * 输    出             : 0或1  
6. * 备    注           : 0表示应答发送失败或非应答，1表示接收到应答  
7. *******************************************************************************/  
8. unsigned char I2C_Wait_Ack(void)  
9. {  
10.     unsigned char acktime;  
11.     I2C_SCL = 1;  
12.     delay_us(1);  
13.     while(I2C_SDA)                 //等待应答，即等待从设备把I2C_SDA拉低  
14.     {  
15.         acktime++;  
16.         if(acktime>200)            //如果超过200us没有应答，则发送失败，或者为非应答，表示接受结束  
17.         {  
18.             I2C_SCL = 0;  
19.             delay_us(1);  
20.             return 0;  
21.         }         
22.     }  
23.     delay_us(1);  
24.     I2C_SCL = 0;  
25.     return 1;  
26. }  
27.   
28. /*******************************************************************************  
29. * 函 数 名           : IIC_Ack(unsigned char ackbit)  
30. * 函数功能           : 产生应答  
31. * 输    入           : 0或1  
32. * 输    出             : 无  
33. * 备    注           : 0表示产生应答，1表示不产生应答  
34. *******************************************************************************/  
35. void IIC_Ack(unsigned char ackbit)  
36. {  
37.     I2C_SCL = 0;  
38.     I2C_SDA = ackbit;  
39.     delay_us(2);  
40.     I2C_SCL = 1;  
41. }  

42. 
    

43. 二、主从机I2C通信过程：

44. 1.主机发送过程

    （1）主机在检测到总线为“空闲状态”（即 SDA、SCL 线均为高电平）时，发送一个启动信号“S”，开始一次通信的开始

    （2）主机接着发送一个命令字节。该字节由 7 位的外围器件地址和 1 位读写控制位 R/W组成（此时 R/W=0）

    （3）相对应的从机收到命令字节后向主机回馈应答信号 ACK（ACK=0）

    （4）主机收到从机的应答信号后开始发送第一个字节的数据

    （5）从机收到数据后返回一个应答信号 ACK

    （6）主机收到应答信号后再发送下一个数据字节

    （7）当主机发送最后一个数据字节并收到从机的 ACK 后，通过向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线。从机收到P信号后也退出与主机之间的通信

    2.主机接收过程

    （1）主机发送启动信号后，接着发送命令字节（其中 R/W=1）

    （2）对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据

    （3）主机收到数据后向从机反馈一个应答信号

    （4）从机收到应答信号后再向主机发送下一个数据 

    （5）当主机完成接收数据后，向从机发送一个“非应答信号（ACK=1）”，从机收到ASK=1 的非应答信号后便停止发送

    （6）主机发送非应答信号后，再发送一个停止信号，释放总线结束通信

45. 
    

46. 三、以51单片机为主机，AT24C02为从机的I2C主从机通信程序

47. /******************************************************************************** 函 数 名           : write_eeprom(unsigned char add,unsigned char val)* 函数功能         : 向eeprom写一个字节* 输    入           : eeprom中某个地址和要写入的数据字节* 输    出          : 无* 备    注           : 无*******************************************************************************/void write_eeprom(unsigned char add,unsigned char val){    I2C_Start();    I2C_SendByte(0xa0);    I2C_Wait_Ack();    I2C_SendByte(add);    I2C_Wait_Ack();    I2C_SendByte(val);    I2C_Wait_Ack();    I2C_Stop();}/******************************************************************************** 函 数 名           : unsigned char read_eeprom(unsigned char add)* 函数功能         : 从eeprom读一个字节* 输    入           : eeprom中的某个地址* 输    出          : 选中地址里面存储的数据* 备    注           : 无*******************************************************************************/unsigned char read_eeprom(unsigned char add){unsigned char da;  I2C_Start();I2C_SendByte(0xa0);I2C_Wait_Ack();I2C_SendByte(add);I2C_Wait_Ack();I2C_Start();I2C_SendByte(0xa1);I2C_Wait_Ack();da = IIC_Read_Byte(); I2C_Stop();return da;}