I2C总线协议概述
概述
I2C是Inter-Integrated Circuit的简称，读作：I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。I2C总线的最大传输速度由总线的最大电容决定。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3．4Mbit/s。
主要用途：
SOC和周边外设间的通信（如：EEPROM，电容触摸芯片，各种Sensor等）。
物理接口
I2C总线只使用两条双向漏极开路的信号线（串行数据线：SDA，及串行时钟线：SCL），并利用电阻上拉，保证电压驱动能力。I2C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线，就实现了设备间的数据交互，极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用。I2C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD、及其他芯片的接口。I2C允许相当大的工作电压范围，典型的电压基准为：+3.3V或+5V。
SCL（Serial Clock）：串行时钟线，传输CLK信号，一般是主设备向从设备提供
SDA（Serial Data）： 串行数据线，传输通信数据
该总线是一种多主控总线，即可以在总线上放置多个主设备节点，在停止位（P）发出后，即通讯结束后，主设备节点可以成为从设备节点。
主设备节点：产生时钟并发起通信的设备节点
从设备节点：接收时钟并响应主设备节点寻址的设备节点
- I2C通信双方地位不对等，通信由主设备发起，并主导传输过程，从设备按I2C协议接收主设备发送的数据，并及时给出响应。
- 主设备、从设备由通信双方决定（I2C协议本身无规定），既能当主设备，也能当从设备（需要软件进行配置）。
- 主设备负责调度总线，决定某一时刻和哪个从设备通信。同一时刻，I2C总线上只能有一对主设备、从设备通信。
- 每个I2C从设备在I2C总线通讯中有一个I2C从设备地址，该地址唯一，是从设备的固有属性，通信中主设备通过从设备地址来找到从设备。
I2C总线多主设备结构如下图所示：
通讯特征
- 串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输
- 同步通信，即双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线，将A设备的时钟传输到B设备，B设备在A设备传输的时钟下工作。同步通信的特征是：通信线中有CLK。
- 非差分，I2C通信速率不高，且通信距离近，使用电平信号通信。
低速率，I2C一般是同一个板子上的两个IC芯片间通信，数据量不大，速率低。速率：几百KHz，速率可能不同，不能超过IC的最高速率。
I2C总线状态
I2C总线上有两种状态：
空闲态：没有设备发生通信。
忙态：其中一个从设备和主设备通信，I2C总线被占用，其他从设备处于等待状态。
起始位和结束位
I2C总线通讯由起始位开始通讯，由结束位停止通讯，并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出。
起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平
结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平
数据格式与应答
I2C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。
应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平.
在传输期间，如果从设备来不及处理主设备发送的数据，从设备会保持SCL线为低电平，强迫主设备等待从设备释放SCL线，直到从设备处理完后，释放SCL线，接着进行数据传输。
如下图所示：
数据传输通讯
写数据
开始数据传输后，先发送一个起始信号（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据，该读写标志位决定数据的传输方向），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。每一个字节数据的传输都要跟一个应答信号位。数据传输以停止位（P）结束，并且释放I2C总线。
读数据
开始通讯时，主设备先发送一个起始信号（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK），从设备应答主设备后，主设备再发送要读取的寄存器地址，从设备应答主设备（ACK），主设备再次发送起始信号（Sr），主设备发送设备地址（包含读标志），从设备应答主设备，并将该寄存器的值发送给主设备；
读取单字节数据：
主设备要读取的数据，如果是只有一个字节的数值，就要结束应答，主设备要先发送一个非应答信号（NOACK），再发送结束信号（P）；
读取多字节数据：
主设备要读取的数据，如果是大于一个字节的多个数据，就发送ACK应答信号（ACK），而不是非应答信号（NOACK），然后主设备再次接收从设备发送的数据，依次类推，直到主设备读取的数值是最后一个字节数据后，需要主设备给从设备发送非应答信号（NOACK），再发送结束信号（P），结束I2C通讯，并释放I2C总线。
51单片机上测试一个I2C代码注释理解
#include<string.h>
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
/*经实验，不要小于50！否则可能造成时序混乱*/
#define DELAY_TIME 60
#define TRUE 1
#define FALSE 0
sbit SCL=P1^7; /*假设由P1.7和P1.6控制*/
sbit SDA=P1^6;
/********** Function Definition 函数定义 ************/
void DELAY(unsigned int t) /*延时函数*/
{
while(t!=0)
t--;
}
这个是引脚定义，使用IO引脚1.7作为时钟控制线，1.6作为数据控制线。由于I2C是低速总线，所以这个每个数据之间的间隔不要太短。由于单片机使用的时钟不同，如果使用这个代码出现数据错误，可以调高DELAY_TIME的试试。
void I2C_Start(void)
{
/*启动I2C总线的函数，当SCL为高电平时使SDA产生一个负跳变*/
SDA=1;
SCL=1;
DELAY(DELAY_TIME);
SDA=0;
DELAY(DELAY_TIME);
SCL=0;
DELAY(DELAY_TIME);
}
上面说明了I2C的开始是SCL为高电平时使SDA**产生一个负跳变**为开始位。
void SEND_0(void) /* SEND ACK */
{
/*发送0，在SCL为高电平时使SDA信号为低*/
SDA=0;
SCL=1;
DELAY(DELAY_TIME);
SCL=0;
DELAY(DELAY_TIME);
}
发送0位
void SEND_0(void) /* SEND ACK */
{
/*发送0，在SCL为高电平时使SDA信号为低*/
SDA=0;
SCL=1;
DELAY(DELAY_TIME);
SCL=0;
DELAY(DELAY_TIME);
}
发送1位
void SEND_1(void)
{
/*发送1，在SCL为高电平时使SDA信号为高*/
SDA=1;
SCL=1;
DELAY(DELAY_TIME);
SCL=0;
DELAY(DELAY_TIME);
}
bit Check_Acknowledge(void)
{
/*发送完一个字节后检验设备的应答信号*/
SDA=1;
SCL=1;
DELAY(DELAY_TIME/2);
F0=SDA;
DELAY(DELAY_TIME/2);
SCL=0;
DELAY(DELAY_TIME);
if(F0==1)
return FALSE;
return TRUE;
}
写入一个一个字节，很简单其实理解字节就是一个一个位组成根据取位判断不同的位数的1或者0执行不同的操作。
void WriteI2CByte(char b)reentrant
{
/*向I2C总线写一个字节*/
char i;
for(i=0;i<8;i++)
if((b<<i)&0x80)
SEND_1();
else
SEND_0();
}
char ReadI2CByte(void)reentrant
{
/*从I2C总线读一个字节*/
char b=0,i;
for(i=0;i<8;i++)
{
SDA=1; /*释放总线*/
SCL=1; /*接受数据*/
DELAY(10);
F0=SDA;
DELAY(10);
SCL=0;
if(F0==1)
{
b=b<<1;
b=b|0x01;
}
else
b=b<<1;
}
return b;
}