再谈I2C！结合项目经验说说这项知识
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背景
硬件层
数据传输协议
实际上如何工作？
单个主设备连接多个从机
多个主设备连接多个从机
如何编程？
总结
背景
I2C（Inter-Integrated Circuit），中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。
I2C最重要的功能包括：
-
只需要两条总线； -
没有严格的波特率要求，例如使用RS232，主设备生成总线时钟； -
所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址； -
I2C是真正的多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测； -
传输速度； -
标准模式：Standard Mode=100 Kbps -
快速模式：Fast Mode=400 Kbps -
高速模式：High speed mode=3.4 Mbps -
超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps -
最大主设备数：无限制； -
最大从机数：理论上是127；
以上是I2C的一些重要特点，下面会进一步对I2C进行介绍。
硬件层
I2C协议仅需要一个SDA和SCL引脚。SDA是串行数据线的缩写，而SCL是串行时钟线的缩写。这两条数据线需要接上拉电阻。
设备间的连接如下所示：
使用I2C，可以将多个从机（Slave）连接到单个主设备（Master），并且还可以有多个主设备（Master）控制一个或多个从机（Slave）。
假如希望有多个微控制器（
MCU）将数据记录到单个存储卡或将文本显示到单个LCD时，这个功能就非常有用。
I2C总线（SDA，SCL）内部都使用漏极开路驱动器（开漏驱动），因此SDA和SCL 可以被拉低为低电平，但是不能被驱动为高电平，所以每条线上都要使用一个上拉电阻，默认情况下将其保持在高电平；
上拉电阻的值取决于许多因素。德州仪器TI 建议 使用以下公式来计算正确的上拉电阻值：
其中 是逻辑低电压；
是逻辑低电流；
是信号的最大上升时间；
是总线（电线）电容；
具体如下所示：
根据上表，这里不难发现需要在做电阻选择需要满足几个条件；
-
灌电流 最大值为 ； -
另外I2C总线规范和用户手册还为低电平输出电压 设置了最大值为0.4V
所以根据上述公式可以计算，对于5V的电源，每个上拉电阻阻值至少1.53kΩ，而对于3.3V的电源，每个电阻阻值至少967Ω。
如果觉得计算电阻值比较麻烦，也可以使用典型值 4.7kΩ。
上述推导过程可以参考 TI的文档《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf
最终在调试的时候，当我们测量SDA或SCL信号并且逻辑LOW上的电压高于0.4V时，我们就知道可以知道灌电流太高了；
当然，这并不意味着每当灌电流超过3mA时，设备就会立即停止工作。但是，在操作超出其规格的设备时，应始终小心，因为它可能导致通信故障，缩短其使用寿命甚至甚至永久损坏设备。
数据传输协议
主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输0和1的串行数据。串行数据序列的结构可以分为，开始条件，地址位，读写位，应答位，数据位，停止条件，具体如下所示；
开始条件
当主设备决定开始通讯时，需要发送开始信号，需要执行以下动作；
-
先将SDA线从高压电平切换到低压电平； -
然后将 SCL从高电平切换到低电平；
在主设备发送开始条件信号之后，所有从机即使处于睡眠模式也将变为活动状态，并等待接收地址位。
具体如下图所示；
地址位
通常地址位占7位数据，主设备如果需要向从机发送/接收数据，首先要发送对应从机的地址，然后会匹配总线上挂载的从机的地址；
I2C还支持10位寻址；
读写位
该位指定数据传输的方向；
-
如果主设备需要将数据发送到从设备，则该位设置为 0； -
如果主设备需要往从设备接收数据，则将其设置为 1。
ACK / NACK
主机每次发送完数据之后会等待从设备的应答信号ACK；
-
在第9个时钟信号，如果从设备发送应答信号 ACK，则SDA会被拉低； -
若没有应答信号 NACK，则SDA会输出为高电平，这过程会引起主设备发生重启或者停止；
数据块
传输的数据总共有8位，由发送方设置，它需要将数据位传输到接收方。
发送之后会紧跟一个ACK / NACK位，如果接收器成功接收到数据，则设置为0。否则，它保持逻辑“ 1”。
重复发送，直到数据完全传输为止。
停止条件
当主设备决定结束通讯时，需要发送开始信号，需要执行以下动作；
-
先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平； -
再将SCL线从高电平拉到低电平；
具体如下图所示；
实际上如何工作？
第一步：起始条件
主设备通过将SDA线从高电平切换到低电平，再将SCL线从高电平切换到低电平，来向每个连接的从机发送启动条件 ：
第二步：发送从设备地址
主设备向每个从机发送要与之通信的从机的7位或10位地址，以及相应的读/写位；
第三步：接收应答
每个从设备将主设备发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，则从设备通过将SDA线拉低一位以表示返回一个ACK位；
如果来自主设备的地址与从机自身的地址不匹配，则从设备将SDA线拉高，表示返回一个NACK位；
第四步：收发数据
主设备发送或接收数据到从设备；
第五步：接收应答
在传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认已成功接收到该帧：
第六步：停止通信
为了停止数据传输，主设备将SCL切换为高电平，然后再将SDA切换为高电平，从而向从机发送停止条件；
单个主设备连接多个从机
I2C总线上的主设备使用7位地址对从设备进行寻址，可以使用128（ ）个从机地址。
请使用4.7K上拉电阻将SDA和SCL线连接到Vcc；
多个主设备连接多个从机
多个主设备可以连接到一个或多个从机；
当两个主设备试图通过SDA线路同时发送或接收数据时，同一系统中的多个主设备就会出现问题。
为了解决这个问题，每个主设备都需要在发送消息之前检测SDA线是低电平还是高电平；
-
如果SDA线为低电平，则意味着另一个主设备可以控制总线，并且主设备应等待发送消息。
-
如果SDA线为高电平，则可以安全地发送消息。
要将多个主设备连接到多个从机，请使用下图，其中4.7K上拉电阻将SDA和SCL线连接到Vcc：
如何编程？
Talk is cheap. Show me the code.
参考了STM32的HAL库中I2C驱动，主设备发送函数HAL_I2C_Master_Transmit()具体如下：
/**
* @brief Transmits in master mode an amount of data in blocking mode.
* @param hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
* the configuration information for the specified I2C.
* @param DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
* in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
* @param pData Pointer to data buffer
* @param Size Amount of data to be sent
* @param Timeout Timeout duration
* @retval HAL status
*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c,
uint16_t DevAddress,
uint8_t *pData,
uint16_t Size,
uint32_t Timeout){
uint32_t tickstart = 0x00U;
/* Init tickstart for timeout management*/
tickstart = HAL_GetTick();
if(hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY){
/* Wait until BUSY flag is reset */
if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK){
return HAL_BUSY;
}
/* Process Locked */
__HAL_LOCK(hi2c);
/* Check if the I2C is already enabled */
if((hi2c->Instance->CR1 & I2C_CR1_PE) != I2C_CR1_PE){
/* Enable I2C peripheral */
__HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
}
/* Disable Pos */
hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_POS;
hi2c->State = HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_MASTER;
hi2c->ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;
/* Prepare transfer parameters */
hi2c->pBuffPtr = pData;
hi2c->XferCount = Size;
hi2c->XferOptions = I2C_NO_OPTION_FRAME;
hi2c->XferSize = hi2c->XferCount;
/* Send Slave Address */
if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c, DevAddress, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_ERROR;
}else{
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_TIMEOUT;
}
}
/* Clear ADDR flag */
__HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);
while(hi2c->XferSize > 0U){
/* Wait until TXE flag is set */
if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
return HAL_ERROR;
}else{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
/* Write data to DR */
hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
hi2c->XferCount--;
hi2c->XferSize--;
if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET)
&& (hi2c->XferSize != 0U)){
/* Write data to DR */
hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
hi2c->XferCount--;
hi2c->XferSize--;
}
/* Wait until BTF flag is set */
if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
return HAL_ERROR;
}else{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
}
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
hi2c->State = HAL_I2C_STATE_READY;
hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_OK;
}else{
return HAL_BUSY;
}
}
总结
本文主要介绍I2C的入门基础知识，从I2C协议的硬件层，协议层进行了简单介绍；作者能力有限，难免存在错误和纰漏，请大佬不吝赐教。
-END-
来源 | 小麦大叔
作者 | 菜刀和小麦
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