常用通信协议——IIC协议编程实现[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、IIC连接实物示意图

二、IIC协议程序编写的要点：

1、空闲状态
2、开始信号
3、停止信号
4、应答信号
5、数据的有效位
6、数据传输

三、IIC驱动编写

1、硬件准备

此处使用正点原子Mini板STM32F103，使用的IO口为C11、C12。由于使用的IO口并不是自带硬件IIC口，所以在此我们使用软件模拟IIC传输。（没有硬件的同学也可以继续看下去，协议的实现与硬件没有太大关系）

2、程序编写

由上文得知IIC协议程序编写的要点：下面我们来依次实现

第一步、首先我们先来初始化一下IO口（只是理解IIC协议原理的同学，可直接跳过）

void IIC_Init(void)
{ 
   
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure; 
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();   //使能GPIOC时钟 
    //PC11,12初始化设置
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12;
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  //推挽输出
    GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          //上拉
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_Initure);  
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1;  
}

此处初始化需注意要上拉两个IO口，因为IIC协议设定SDA=1，SCL=1为空闲状态。
此处使用的是HAL库，HAL对IO口的结构体定义如下：

typedef struct
{ 
   
  uint32_t Pin;/*引脚*/       /*!< Specifies the GPIO pins to be configured. This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
  uint32_t Mode;/*模式*/      /*!< Specifies the operating mode for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIO_mode_define */
  uint32_t Pull;/*上拉或下拉*/      /*!< Specifies the Pull-up or Pull-Down activation for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIO_pull_define */
  uint32_t Speed;/*IO口速度*/     /*!< Specifies the speed for the selected pins. This parameter can be a value of @ref GPIO_speed_define */
} GPIO_InitTypeDef;

第二步、对SDA、SCL进行宏定义（只是理解IIC协议原理的同学，可直接跳过）

//IO操作
#define IIC_SCL PCout(12) //SCL
#define IIC_SDA PCout(11) //SDA
#define READ_SDA PCin(11) //输入SDA

第三步、对各个要点进行实现

1、空闲状态

无数据发送接收时

void IIC_Leisure(void)
{ 
   
    IIC_SDA=1;
    IIC_SCL=1; 
}

2、开始信号

根据时序图，可知，开始信号：SCL为高期间， SDA由高到低的跳变；
特别注意：启动信号是一种电平跳变时序信号，下面是程序编写：

void IIC_Start(void)
{ 
   
    SDA_OUT();     	/*设置C12为输出模式*/
	IIC_SDA=1;	  	/*拉高保持空闲状态*/  
	IIC_SCL=1;		/*拉高保持空闲状态*/  
	delay_us(4);    /*延时保证电平稳定*/  
 	IIC_SDA=0;   	/*当SCL为高时，SDA由高到低的跳变*/  
	delay_us(4);    /*延时保证电平稳定*/ 
	IIC_SCL=0;		/*钳住I2C总线，准备发送或接收数据*/
}	

3、停止信号

根据时序图，可知，开始信号：SCL为高期间， SDA由低到高的跳变；
特别注意：停止信号是一种电平跳变时序信号，同时此处有个小细节，如时序图，SDA只有在SCL变高时才能变换。下面是程序编写：

void IIC_Stop(void)
{ 
   
	SDA_OUT();	/*设置C12为输出模式*/
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;/*当SCL为高时，SDA由高到低的跳变*/ /*如出现电平不稳，也可在本句上方+一个延时*/
	delay_us(4);		
}				

4、应答信号

根据我们此项目来说，我们是使用单片机读取AT24C02里的数据。故此处发送器为AT24C02，接收器为单片机。
发送器（AT24C02）每发送一个字节， 就在时钟脉冲第9个期间释放数据线，由接收器（单片机）反馈一个应答信号。

当应答信号为低电平时， 表示接收器已经成功地接收了该字节，规定为应答位（ACK）
当应答信号为高电平时， 表示接收器接收该字节失败。规定为非应答位（NACK）

对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低， 并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

同时我们还需要对应答信号进行判断，所以我们此处需要编写三个程序：1、产生应答信号；2、产生非应答信号；3、检测应答信号，其中产生应答信号和产生非应答信号是接收器（单片机）使用的，检测应答信号为发送器（AT24C02）使用的。

（1）产生应答信号

void IIC_Ack(void)
{ 
   
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}

（2）产生非应答信号

void IIC_NAck(void)
{ 
   
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}	

（3）检测应答信号

u8 IIC_Wait_Ack(void)
{ 
   
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDA设置为输入 
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)
	{ 
   
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{ 
   
			IIC_Stop();
			return 1;/*数据传送失败。检测为非应答信号*/
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 
	return 0;  /*数据传送失败。检测为应答信号*/
} 

5、数据传输、数据的有效性

（1）数据的有效性

I2C总线进行数据传送时， 时钟信号为高电平期间， 数据线上的数据必须保持稳定， 只有在时钟线上的信号为低电平期间， 数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

即： 数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。 并在在下降沿到来之前必须稳定。（如图示，SCL周期小于SDA周期，且被包含在内）
（2）数据传输
数据位的传输采用边沿触发。
在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（同步控制）， 即在SCL串行时钟的配合下， 在SDA上逐位地串行传送每一位数据 。

写数据

//IIC发送一个字节//返回从机有无应答//1，有应答//0，无应答 
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{ 
                           
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;/*拉低时钟开始数据传输*/
    for(t=0;t<8;t++)
    { 
                 
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;/*需要发送的数据经过和0x80的与运算之后，右移7位*/
        txd<<=1;/*左移7位*/
		delay_us(2);   /*对延时是必须的*/
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2);  /*对延时是必须的*/
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2); /*对延时是必须的*/
    }	 
} 

IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; txd<<=1;这两句有疑问的同学可以看我下面推导：

读数据

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK 
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{ 
   
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();/*SDA设置为输入*/
    for(i=0;i<8;i++ )
	{ 
   
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();/*发送NACK*/
    else
        IIC_Ack(); /*发送ACK*/
    return receive;
}

参考文献：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f103_mini.html