I2C通讯协议（详解SDA/SCL）

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物理I2C接口有两根双向线：串行时钟线（SCL）和双向串行数据线（SDA），可用于发送和接收数据，但是通信都是由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输。SDA负责在设备间传输串行数据，SCL负责产生同步时钟脉冲。

一、基础介绍

调I2C时序，主要在调数据写入write_I2C和数据读取read_I2C的机制。I2C主要实现数据的传输，使主机和从机的相互响应。它有一种数据传送机制。总结起来为：起始信号，终止信号、应答信号，读字节，写字节，数据读取和数据写入。

I2C基本架构：

 Start_I2C Stop_I2C readack 读取应答信号 sendack and sendnack 输出应答或非应答 sendbyte readbyte write_I2C read_I2C 

二、I2C通信协议详解

SDA和SCL变化情况：

所有数据传输均起始于一个start，终于一个stop. Start_I2C定义：SCL为高时，SDA从高到低转换； Stop_I2C定义：SCL为高时，SDA从低到高转换； 数据有效性：SCL为高时，SDA的数据必须稳定； 只有SCL变低时，SDA的状态才能跳变。 

1、空闲状态

SCL和SDA接上拉电阻，默认高电平，表示总线是空闲状态

2、主从设备

主设备负责控制通信，通过对数据传输进行初始化/终止化，来发送数据并产生所需的同步时钟脉冲。 从设备则是等待来自主设备的命令，并响应命令的接收。且同步时钟信号只能由主设备产生。 

3、起始信号和结束信号

：

（1） I2C的起始位

 void I2C_sendStart() //开始位 { 
    SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/ SCL=1; SDA=0; /*发送起始信号*/ Delay_us(1); SCL=0; } 

（2）I2C的结束位

 Void sendstop() { 
    SCL=0; SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/ SCL=1; while(SCL!=1) { 
    }; Delay_us(1); SDA=1; Delay_us(1); } 

4、数据有效性

I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为控制命令（START或STOP，也就是前面的起始信号和停止信号）。

从机地址发送完后可能会发送一些指令，依从机而定，然后开始传输数据，由主机或者从机发送，每个数据为8位，数据的字节数没有限制。在开始信号之后，SDA和SCL先都处于低电平，当要传输数据时SDA先为高，之后SCL再跳变为高，才可进行数据的传输：

5、应答信号

当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功； 当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功。 

接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节(8位)数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。

(1)、接收数据需向发送方发送应答:

void IIC_ack(u8 ack) { 
    // 数据线设置为输出 SCL = 0; delay_us(5); if(ack) SDA = 1; // 无效应答 else SDA = 0; // 有效应答  delay_us(5); SCL = 1; // 保持数据稳定 delay_us(5); // 拉低SCL开始传输数据 SCL = 0; } 

(2)、发送数据需等待接收方的应答：

// 等待ACK 1-无效 0-有效 u8 IIC_wait_ack(void) { 
    u8 ack = 0; // 数据线设置为输入 // 拉高时钟线 SCL = 1; delay_us(5); // 获取数据线的电平 if(SDA) { 
    // 无效应答 ack = 1; IIC_stop(); } else { 
    // 有效应答 ack = 0; // 拉低SCL开始传输数据 SCL = 0; delay_us(5); } return ack; } 

三、I2C通信实现方式

1、硬件I2C

即使用I2C控制器实现，使用芯片上的I2C外设，它有相应的I2C驱动电路，有专用的I2C引脚，调用I2C的控制函数即可，无需用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现I2C协议，只需要将I2C协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是若出现问题，只能通过示波器看波形找问题。

2、模拟I2C

通过使用任意IO口去模拟实现I2C通信协议，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟I2C协议的时序，实现I2C信号和数据传输。

3、数据读取和写入的示例：

Write_I2C：start->slave address+0+ACK+数据包（byte+ack+…+byten+Nack）+stop Read_I2C：start->slave address+1+ACK+数据包（byte+ack+…+byten+Nack）+stop 

注意：关于slave address是7位的一个字节，write是0位，read是1位；
示例：slave address为50H（）
则写地址在其后加一位0，即变成（），为A0
读地址在其后加一位1，即变成（），为A1;

 write_I2C { 
    Start_I2C; sendbyte();//传送地址与写入标记 readack; sendbyte();//传送字节 readack; Stop_I2C; } read_I2C { 
    Start_I2C; sendbyte();//传送地址与读取标记 readack; readbyte();//读取字节 sendack and sendnack Stop_I2C; } 

4、应用示例
Define address:根据芯片规格书定义读写地址
设置端口：SDA/SCL/INT
缓存buffer: 主控端的写入和读取资料缓存

（1）读取I2C的应答标志位

Unsigned char readACK() //读取应答信号 { 
    SCL=0; SDA=1; /*此处为释放SDA 总线，由从从机发出低电平应答*/ _nop_(); SCL=1; _nop_(); if(SDA) return 1; //no ACK else return 0; //ACK } 

(2)主控端送出应答信号

 void sendACK() //输出应答信号 { 
    SCL=0; SDA=0; _nop_(); SCL=1; } void sendNOACK() //输出无应答信号 { 
    SCL=0; SDA=1; _nop_(); SCL=1; } 

（3）主控端写入一个字节到从机

 void sendByte(uchar dat) //写一个字节 { 
    uchar i; for(i=0;i<8;i++) { 
    SCL=0; /*钳住I2C 总线，准备发送数据 */ if(dat&0x80) SDA=1; else SDA=0; _nop_(); _nop_(); SCL=1; dat<<=1; } } 

（4）主控端对从机读取一个字节

uchar readByte() //读一个字节 { 
    uchar i, dat=0; for(i=0;i<8;i++) { 
    SCL=0; SDA=1; _nop_(); dat<<=1; SCL=1; if(SDA==1) dat|=0x01; } return dat; } 

（5）主控端数据写入

bit writeIIC(uchar addrW, uchar *writeData, uchar length) { 
    uchar i; bit ACK; sendStart(); sendByte(addrW); //传送地址与写入标记 ACK = readACK(); if (ACK) { 
    sendStop(); //地址不正确或装置未连接，送出停止信号 return ACK; } for(i = 0; i<length; i++) { 
    sendByte(writeData[i]); ACK = readACK(); if (ACK) { 
    sendStop(); //未接收到ACK，送出停止信号 return ACK; } } sendStop(); //资料写入完成，送出停止信号 return ACK; } 

（6）主控端对从机数据读取

 bit readIIC(uchar addrR, uchar *readData, uchar length) { 
    uchar i; bit ACK; sendStart(); sendByte(addrR); //传送地址与读取标记 ACK = readACK(); if (ACK) { 
    sendStop(); //地址不正确或装置未连接，送出停止信号 return ACK; } for(i = 0; i<length; i++) { 
    readData[i] = readByte(); if(i<length-1) sendACK(); else sendNOACK(); //读取最后一笔资料，送出No ACK } sendStop(); //资料读取完成，送出停止信号 return ACK; } 

（7）调用数据写入和读取

 writeIIC(address_W, &Write_Buffer,4); readIIC(address_R, &Read_Buffer, 5);