菜单导航

I2C的入门基础知识,从I2C协议的硬件层,协议层

作者: 精装之家 来源: 精装之家 发布时间: 2020年11月17日 06:23:22

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: