【江协STM32】10-1 I2C通信协议

1. I2C通信

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
两根通信线：SCL（Serial Clock，串行时钟线）、SDA（Serial Data，串行数据线）
同步，半双工
带数据应答
支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

2. 硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

3. I2C时序基本单元

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

在I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA均由外挂的上拉电阻拉高至高电平状态。当主机需要进行数据收发时，SCL处于高电平，SDA产生一个下降沿，当从机捕获到这个信号时，就会进行复位，等待主机指令。在SDA下降沿后，主机需要把SCL拉低，一方面是占用这个总线，另一方面也是为了方便基本单元的拼接。

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答
接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

4. I2C时序

I2C从机地址：在同一条I2C总线里，挂载的每个设备地址必须不同。从机设备地址，在I2C协议标准中分为7位地址和10位地址。其中7位地址比较简单且应用范围广，每个I2C设备出厂时，厂商会为其分配一个7位地址，可以在芯片手册中查到。比如MPU6050的7位地址是1101 000，一般不同型号的芯片地址都是不同的，相同型号的芯片地址是相同的。如果需要同时用到多个相同器件，一般器件地址的最后几位是可以在电路中改变的，比如MPU6050地址的最后一位，就可以由板子上的AD0引脚确定，该引脚接低电平，那么它的地址为1101 000，接高电平，那么它的地址为1101 001。一般I2C的从机设备地址，高位由厂商确定，低位可以由引脚来灵活切换。这样就可以保证，即使相同型号的芯片挂载在同一个总线上，也可以通过切换地址低位的方式保证每个设备的地址不同。

4.1 指定地址写

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

实测波形图分析：

空闲状态SCL和SDA均为高电平。随后主机需要给从机写入数据时，首先，SCL高电平期间拉低SDA，产生起始条件（Start, S）。
在起始条件后紧跟着的程序，必须是发送一个字节的时序，字节的内容必须是从机地址（7位）+读写位（1位）。发送从机地址就是确定通信的对象，发送读写位就是确认接下来需要写入还是读出。发送过程中，SCL低电平期间，SDA变换数据，SCL高电平期间，从机读取SDA（绿色竖线标明从机读到的数据）。比如图示波形中，主机寻找的从机地址为1101 000，这个就是MPU6050的地址。最低位表示读写位，0表示在之后的时序中，主机要进行写入操作，1表示在之后的时序中，主机要进行读出操作。
紧跟着的单元需要是接收从机的应答位（Receive Ack, RA）。在此时刻，主机释放SDA，从机拉低SDA。应答结束后SDA产生上升沿，是从机释放SDA产生的，从机交出了SDA的控制权。
由于之前读写位给了0，所以应答结束后，需要继续发送一个字节。第二个字节就可以送到指定设备的内部了，从机设备可以自己定义第二个字节和后续字节的用途。一般第二个字节可以是寄存器地址或者是指令控制字等，比如MPU6050定义的第二个字节为寄存器地址，AD转换器定义的第二个字节可能为指令控制字，存储器定义的第二个字节可能为存储器地址。图示波形发送数据为0001 1001(0x19)，在MPU6050中表示要操作0x19地址下的寄存器。
随后同样是从机应答。主机收到的应答位为0，表示收到了从机的应答。
主机再发送一个字节，这个字节就是主机想要写入到0x19地址寄存器的内容。比如图示发送了数据0xAA，就表示在0x19地址下写入0xAA。
随后是接收应答位。
如果主机不需要继续传输，就可以产生停止条件（Stop, P）。在停止条件之前，先位低SDA，为后续SDA的上升沿作准备，然后释放SCL，再释放SDA。

这样一个完整的数据帧就拼接完成了。总结就是对于指定从机地址为1101 000的设备，在其内部0x19地址的寄存器中，写入0xAA这个数据。

4.2 当前地址读

对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

如果主机想要读取从机的数据，就可以执行下图时序：

SCL高电平期间拉低SDA，产生起始条件。
起始条件后，主机必须首先调用发送一个字节，进行从机的寻址和指定读写标志位。图示波形的寻址目标为1101 000的设备，读写标志为1，表示主机接下来要读取数据。
接收从机应答位。
从机应答后，数据的传输方向变为从机到主机，SDA的控制权交给从机。主机调用接收一个字节的时序，进行接收操作。从机可以在SCL低电平期间写入SDA，主机在SCL高电平期间读取SDA。由于主机没有指定要读哪个地址，从机就会返回当前指针指向的寄存器的值0x0F。假设刚刚调用了指定地址写的时序，在0x19的位置写入了0xAA，那么指针就会+1，移动到0x1A的位置，此时再调用当前地址读的时序，返回的就是0x1A地址下的值，如果再调用一次，返回的就是0x1B地址下的值。

由于当前地址读并不能指定读的地址，所以这个时序使用较少。

4.3 指定地址读

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）