IIC通讯时序详解(上)
本文作者: 阳光，e小白网址:www.e-xiaobai.com
在刚开始接触单片机的时候，会被板级内的各种通讯接口方式弄的晕头转向。嵌入式系统中常用板级通讯方式有：并口（8位、16位）、SPI（4线、3线）、IIC、USB、TYPE-C等。具体采用什么通讯方式，要根据实际项目情况选择。并口传输速度快，处理数据量大，像处理图形图像优先考虑，硬件成本高；串口传输速度相对比较慢，接线简单，硬件成本低。这里详细介绍下IIC通讯方式的使用。
一、IIC 简介
IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接单片机及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，适用数据量少，传输距离短场合。在 MCU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行二线制、双向、同步半双工传输。IIC传输速度分为标准100Kbps、快速400Kbps、高速3.4Mbps，目前大多数器件都支持快速传输。IIC总线的传输距离受到布线、速度、总线电容的影响，虽然没有明确规定距离，但是建议不要超过300mm，否则最好加上IIC中继芯片。
二、IIC物理层接线
从上图可以看出，在IIC物理层有主机（MCU）、从机（IIC器件）；2条总线，SCL（时钟线）和SDA(数据线）及上拉电阻（必接4.7K-10K）。
所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都必须接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。器件的物理地址是器件厂商出厂设定好的，须按照IC手册设定。
在IIC总线中可以接多个主机，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主机能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主机控制。
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三、IIC协议层
IIC 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：启始信号（Start）、终止信号(Stop)和应答信号(Ack)。
启始信号：SCL 为高电平时（1），SDA 由高电平向低电平跳变，表示起始信号，接下来可以进行数据传输，必须有；
终止信号：SCL 为高电平时（1），SDA 由低电平向高电平跳变，表示终止信号，表示结束数据传输，必须有；
应答信号：接收端器件（不论主从）在接收到 8bit 数据后，向发送端器件（不论主从）发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。发送端向接收端发出一个信号后，等待接收端发出一个应答信号，发送端接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递数据的判断。若在约定的等待周期内未收到应答信号，判断为接收端接收数据不成功。
非应答信号：若接收端希望结束数据传输，则可以向发送端发一个“非应答信号NAck”，接收端收到此信号后会产生一个终止信号，结束传输。
IIC 总线时序图
启始信号：SCL高电平（1）状态下，SDA由高（1）变低（0），保持至少4.7us后，产生启始信号；程序表示如下
void IIC_Start()
{
SDA=1; //确保SDA线为高电平
SCL=1; //确保SCL高电平
delay_us(5); //保持5us
SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA，产生启始信号
delay_us(5);
}
终止信号：SCL高电平（1）状态下，SDA由高（0）变低（1），保持至少4.7us后，产生终止信号；程序表示如下
void IIC_Stop()
{
SDA=0; //确保SDA线为低电平
SCL=1; //确保SCL高电平
delay_us(5);
SDA=1; //在SCL为高时拉高SDA线，产生终止信号
delay_us(5);
}
应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平（SDA=0）表示产生应答，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，可以继续发送；若为高电平（SDA=1）时，为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功，结束发送。如下图
每发送一个字节（8个bit）后，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。程序表示如下：
//主机产生应答信号Ack
void IIC_Ack(void)
{
SCL=0; //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
SDA=0; //SAD=0，产生应答信号
delay_us(2);
SCL=1;
delay_us(5);
SCL=0; //一个SCL时钟等待周期
delay_us(5);
SDA=1; //释放SDA总线控制权
}
有时候从机因某种原因不需要对主机应答时，须将SDA置为高电平（1），由主机产生终止信号结束数据传输。程序表示如下：
//主机产生非应答信号NAck
void IIC_NAck(void)
{
SCL=0; //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
SDA=1; //SAD=1，产生非应答信号
delay_us(2);
SCL=1;
delay_us(5);
SCL=0;
delay_us(5);
}
在实际写程序时，我们可以用一个等待应答子程序来判断应答信号，程序如下：
等待接收端的应答信号：应答0，非应答1
u8 IIC_WaitAck (void)
{
u8 temptime; //临时计时器
SDA=1; // 释放SDA线的控制权
SCL=1;
delay_us(5);
if(SDA_READ==1) // 如果读回的SDA=1，则为非应答
{
temptime++;
if(temp>250) //超时，这里250大概数参考
{
IIC_Stop(); //停止传输
return 1;
}
}
SCL=0; // SCL拉低
delay_us(5);
return 0; //如果读回的SDA=0，则为应答
}
