IIC的使用 – 源码巴士

借鉴于：蓝桥杯嵌入式快速通关篇，IIC通讯及EEPROM_穿上我的格子衫的博客-CSDN博客

总线空闲：SDA = 1,SCL = 1;
启动信号：SCL = 1,SDA 1 -> 0;
停止信号：SCL = 1,SDA 0 -> 1;

数据传输：SCL为1时，SDA必须保持稳定，即为0或1（停止时相反，所以在停止前要改变SDA都要先把SCL置为0）；
SCL为0时，才允许改变SDA状态；
SCL在上升沿时写入数据，在下降沿时读出数据；

应答信号：为0时，是有效应答，为1时，是无效应答；
传输到最后一个字节后，要发送一个无效应答，再发送停止信号；

不管什么信号，其线的变化都要严格与对应时序吻合（包括起始，变化过程，结果）

总线封锁：将SCL锁定为0即可；

多次数据通信，采用复启动信号，即写一个停止信号，再接上一个启动信号；

单片机为主机，24C02为从机；
SCL时钟由主机控制；

初始化时仅需要设置端口为最基本的推挽模式（因为仅需要gpio输出最基本的高低电平）
写时应答信号从机给出；
读时由主机给出；

24C02器件地址：前四位默认为1010，后四位的前三位为A0,A1,A2,均已接地，即为0，
最后一位为读写保护位，写时为0（0xA0），读时为1（0xA1）.

在这里插入图片描述

Start: IIC开始信号，表示开始传输。
DEVICE_ADDRESS:: 从设备地址,就是7位从机地址
R/W： W(write)为写，R(read)为读
ACK：应答信号
WORD_ADDRESS ：从机中对应的寄存器地址比方说访问 OLED中的某个寄存器
DATA: 发送的数据
STOP: 停止信号。结束IIC

首先要知道的是读写分为总体部分与发送接收的单字节部分

IIC数据传送

数据传送格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK，此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

在功能函数结束后不要将线的电平恢复（不要越界处理别的函数要做的事）

//void SDA_Output( uint16_t val ) val为1或0
//{
//   if ( val ) {
//       GPIO_SetBits(I2C_PORT,SDA_Pin);
//   } else {
//       GPIO_ResetBits(I2C_PORT,SDA_Pin);
//   }

每次设置线上的电平高低后都要进行延时

IIC写数据（要注意的是读写模式不同，注意切换SDA线的GPIO模式）：

//uint8_t SDA_Input()
//{
// return GPIO_ReadInputDataBit( I2C_PORT, SDA_Pin);
//}

从这两个图中我们可以看出在结束时SDA与SCL都为低电平恢复为高电平，这就是结束条件！

多数从设备的地址为7位或者10位，一般都用七位。
八位设备地址=7位从机地址+读/写地址，另加一个ack应答地址

再给地址添加一个方向位位用来表示接下来数据传输的方向，

0表示主设备向从设备(write)写数据，
1表示主设备向从设备(read)读数据

IIC的每一帧数据由9bit组成，其中数据有两种

如果是发送数据，则包含 8bit数据+1bit ACK,

如果是设备地址数据，则8bit包含7bit设备地址 1bit方向
在这里插入图片描述

在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位) 1~7位为7位接收器件地址，第8位为读写位，用“0”表示主机发送数据(W)，“1”表示主机接收数据（R）, 第9位为ACK应答位，紧接着的为第一个数据字节，然后是一位应答位，后面继续第2个数据字节。

IIC发送一个字节数据（8位）：

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答

//IIC_SCL=0;
//在SCL上升沿时准备好数据，进行传送数据时，拉高拉低SDA，因为传输一个字节，一个SCL脉冲里传输一个位。
//数据传输过程中，数据传输保持稳定（在SCL高电平期间，SDA一直保持稳定，没有跳变）
//只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变
//总结：在SCL为高电平期间，发送数据，发送8次数据，数据为1,SDA被拉高，数据为0，SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定，所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT(); //设置为输出模式（PP模式）
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
//IIC_SDA=txd&0x80; //获取最高位
//获取数据的最高位，然后数据左移一位
//如果某位为1，则SDA为1，否则相反
if(txd&0x80) //如果最高位（第八位）为一，则置SDA为高电平
IIC_SDA=1;
else
IIC_SDA=0;
txd<<=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
或者：
//IIC_SDA=txd&0x80; //获取最高位
//获取数据的最高位，然后右移7位,假设为 1000 0000 右移7位为 0000 0001
// 假设为 0000 0000 右移7位为 0000 0000
//如果某位为1，则SDA为1，否则相反
IIC_SDA=((txd&0x80)>>7);
txd<<=1;

或者这么写：

//void I2CSendByte(unsigned char cSendByte)
//{
//   unsigned char i = 8;
//   while (i--)
//   {
//       SCL_Output(0);delay1(500);
//       SDA_Output(cSendByte & 0x80); delay1(500);
//       cSendByte += cSendByte; //二进制自加相当于左移一位
//       delay1(500);
//       SCL_Output(1);delay1(500);
//   }
//   SCL_Output(0);delay1(500);
//}

IIC读取一个字节数据：

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
   unsigned char i,receive=0;
   SDA_IN(); //SDA设置为输入（其实就是IPD模式）
for(i=0;i<8;i++ )
   {
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
       IIC_SCL=1;
receive<<=1; //左移一位
if(READ_SDA)receive++; //使最低位为一
       delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck(); //发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}

主机首先产生START信号
然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)
主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器
这时候主机等待从机的应答信号(A)
当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址，继续等待从机的应答信号
当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号，
主机产生停止信号，结束传送过程。

具体表现为：

void i2c_write(u8 add ,u8 reg ,u8 data)

{ I2CStart();

I2CSendByte(add);

I2CWaitAck();

I2CSendByte(reg);

I2CWaitAck();

I2CSendByte(data);

I2CWaitAck();

I2CStop();

}

函数void i2c_write(u8 add ,u8 reg ,u8 data)；
是iic通讯的写函数，第一个 add是设备的地址，如0xa0是EEPROM的地址，0x38 是扩展板上的三轴加速度计的通讯地址。
第二个形参是寄存器的地址，需要注意的是AT24C02的地址是从0x00~0xff，如果超出该地址值会出现错误。地址和写入或读取的数据的类型都是无符号字符型，其他类型的数据有可能出现错误。就是说，但个地址存入读出的值不会超过255，即存取的的数据范围是0 ~255

主机要从从机读数据时

主机首先产生START信号
然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，
这时候主机等待从机的应答信号(ACK)
当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，
当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，
这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据
主机进而产生停止信号，结束传送过程。

u8 i2c_read(u8 add ,u8 reg){
   u8 data ;
   I2CStart();
   I2CSendByte(add);
   I2CWaitAck();

   I2CSendByte(reg);
   I2CWaitAck();
   I2CStart();
   I2CSendByte(add+1);
   I2CWaitAck();
   data =I2CReceiveByte();
   I2CWaitAck();

   I2CStop();
   return data;


}

以AT24C02为例子（与连接芯片的差别为寄存器地址改为了具体储存地址）

24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。
在这里插入图片描述
A0,A1,A2：硬件地址引脚
WP：写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写
SCL和SDA：IIC总线
可

以看出对于不同大小的24Cxx，具有不同的从器件地址。由于24C02为2k容量，也就是说只需要参考图中第一行的内容：
在这里插入图片描述
芯片的寻址：
AT24C设备地址为如下，前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。A2~A0为000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。

一个EEPROM空间（地址）占一个字节，只能存储0-255,就是一个byte值的范围。
EEPROM可操作的地址为0~4095。

常见的EEPROM如24C02的大小为2Kbit(有的也称2KB)

2KB中，B表示单位bit，K表示1024。

单片机编程中常用的数据类型为unsigned char(u8)的变量的大小为1字节。

1字节=8bit

因此

2KB = 2*1024/8 = 256字节

也就是说，单片机编程中，一片2KB的EEPROM最多存储256（2的8次方，也就是八位）个u8(unsigned char)类型的数据。

AT24C设备地址，前四位固定为1010，而储存不受此限制，可以从0x00开始储存

也就是说如果是
写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

片内地址寻址：

芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。

对应的修改 A2A1A0 三位数据即可
在这里插入图片描述

向AT24C02中写数据
在这里插入图片描述
操作时序：

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
等待应答信号(ACK)
发送数据的存储地址。24C02一共有256个字节的存储空间，地址从0x00~0xFF，想把数据存储>在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。
发送要存储的数据第一字节、第二字节、…注意在写数据的过程中，E2PROM每个字节都会>回应一个“应答位0”，老告诉我们写E2PROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。
发送结束信号（STOP）停止总线

注意：
在写数据的过程中，每成功写入一个字节，E2PROM存储空间的地址就会自动加1，当加到0xFF后，再写一个字节，地址就会溢出又变成0x00。

写数据的时候需要注意，E2PROM是先写到缓冲区，然后再“搬运到”到掉电非易失区。所以这个过程需要一定的时间，AT24C02这个过程是不超过5ms！
所以，当我们在写多个字节时，写入一个字节之后，再写入下一个字节之前，必须延时5ms才可以

从AT24C02中读数据

读当前地址的数据
在这里插入图片描述
2、读随机地址的数据

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
注意：这里写操作是为了要把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉E2PROM要读取哪个地址的数据。
发送要读取内存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM读取要哪个地址的信息。
重新发送开始信号(START)
发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)这里发送读操作地址是为了让从设备知道主设备要读了，为什么不在第二部就发的原因是要先联系上从设备。
E2PROM会自动向主机发送数据，主机读取从器件发回的数据，在读一个字节后，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据
如果不想读了，告诉E2PROM不想要数据了，就发送一个“非应答位NAK(1)”。发送结束信号（STOP）停止总线

应答信号（ack）

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

在这里插入图片描述

**每发送一个字节（8个bit）**在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

å¨è¿éæå¥å¾çæè¿°

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，

//主机产生（发送ack）应答信号ACK
//1.先拉低SCL，再拉低SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL## 标题
void I2C_Ack(void)
{
IIC_SCL=0; //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(5);
IIC_SCL=0;
}

标准写法：

unsigned char I2CWaitAck(void)
{
   unsigned short cErrTime = 5;
   SDA_Input_Mode(); //设为IPU输入模式
   delay1(500);
   SCL_Output(1);delay1(500);
   while(SDA_Input())           //如果一直读端口为1（GPIO_ReadInputDataBit( I2C_PORT, SDA_Pin)），表示没有接受到应答，返回失败
   {
       cErrTime--;
       delay1(500);
       if (0 == cErrTime)
       {
           SDA_Output_Mode();        //实际上是不必要的
           I2CStop();
           return FAILURE;
       }
   }
   SDA_Output_Mode(); //实际上是不必要的
   SCL_Output(0);delay1(500);
   return SUCCESS;
}

//主机不产生应答信号，也就是NACK
//1.先拉低SCL，再拉高SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL
void I2C_NAck(void)
{
IIC_SCL=0; //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
IIC_SDA=1; //拉高SDA，不产生应答信号
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(5);
IIC_SCL=0;
}

3、连续读数据
在这里插入图片描述
E2PROM支持连续写操作，操作和单个字节类似，先发送设备写操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后发送内存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据。E2PROM的地址指针会自动递增，数据会依次保存在内存中。不应答发送结束信号后终止传输。

软件IIC和硬件IIC

IIC分为软件IIC和硬件IIC

软件IIC：软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。

硬件IIC：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。

硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。

代码需要注意的点（出现问题也可依次检查）

读取的操作结束后，都建议延迟几毫秒，实测如果不延迟数据极有可能会出错，延迟操作可以加到函数末尾，也可在函数调用后。

调用函数之前，要先使用i2c.c文件中已有的函数i2c_init()来初始化iic要使用到的时钟，引脚等。

读写函数并不能直接存取超过范围的数，如果存入的数不在0到255之间，肯定会出错，地址也一样，要注意范围。

在读取iic的值时，需要再进行一次I2CStart(),不然读取的值也可能会出错!

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_54215896/article/details/127986444