IIC通信协议详解及其在STM32上的实现

IIC通信协议详解及其在STM32上的实现

在现代电子产品中，IIC（也称为I2C）通信协议作为一种广泛应用的串行通信协议，发挥着不可或缺的影响。这篇文章小编将深入解析IIC通信协议的原理、结构以及怎样在STM32等微控制器上实现这一协议的完整代码。

何是IIC通信协议？

IIC（Inter-Integrated Circuit，内部集成电路）是由飞利浦公司于1980年代开发的一种双线式串行通信协议，主要用于微控制器（MCU）与外围设备（如传感器、存储器等）之间的通信。IIC协议采用一主多从的总线结构，意味着一个主设备（Master）可以与多个从设备（Slave）进行数据交换。

IIC的基本结构

IIC总线由两条线组成：
1. 串行时钟线（SCL）：用于提供时钟信号，以同步数据传输。
2. 串行数据线（SDA）：用于实际数据的传送。

在IIC通信中，每个设备都有唯一的地址，以便在总线上区分不同的设备。IIC协议的一大特性是其低引脚数，适合于大规模的集成电路互连，尤其是在复杂的电子产品中。

IIC通信的基本流程

IIC通信的基本流程可以分为两个主要部分：写入数据和读取数据。

1. 主设备向从设备写入数据

&8211; 步骤一：主设备发送起始信号（START）。SCL保持高电平，同时在SDA上由高电平跳变到低电平。

&8211; 步骤二：主设备发送从设备地址，并在最低位加上读/写信号。例如，设备地址为0x50，写操作发送0x51。

&8211; 步骤三：等待从设备的应答（ACK）。

&8211; 步骤四：主设备发送数据，通常每发送一个字节后都会等待从设备的应答（ACK）。

&8211; 步骤五：数据发送完毕，主设备发送停止信号（STOP），同样通过在SDA上从低电平跳变到高电平来实现。

2. 主设备从从设备读取数据

&8211; 步骤一：主设备发送起始信号（START）。

&8211; 步骤二：主设备发送从设备地址，并在最低位加上读/写信号。例如，设备地址为0x50，读操作发送0x50。

&8211; 步骤三：等待从设备应答（ACK）。

&8211; 步骤四：主设备从从设备接收数据，每接收一个字节后向从设备发送应答（ACK）。

&8211; 步骤五：在接收到最后一个数据后发送无效应答（NACK），接着发送停止信号（STOP）以终止传输。

IIC通信的实现方式

1. 硬件I2C

现代微控制器通常内置IIC控制器，使用硬件IIC的方式进行通信是最高效的实现方案。通过调用相应的I2C驱动函数，程序无需手动控制SCL、SDA的高低电平变化，使得编程更加简便。硬件I2C的传输速度快，且信号稳定。

2. 软件模拟IIC

在某些情况下，微控制器没有内置IIC控制器，或者由于引脚数量的限制需要实现多个IIC通信端口。这时，软件模拟IIC成为一种可行的解决方案。通过GPIO引脚模拟IIC通信，程序员需要手动控制SCL和SDA的变化来实现协议的时序。虽然这种技巧在效率上略低于硬件实现，但它灵活且易于调试，非常适合进修和领悟IIC通信协议的底层实现。

软件模拟IIC的具体实现

下面内容是基于STM32的IIC通信协议软件模拟的简单代码示例：

`c
// 起始信号
void IIC_start(void)
// 初始化SCL和SDA为高电平
SCL = 1;
SDA = 1;
delay_us(5); // 体系延时
SDA = 0; // 产生起始信号
delay_us(5);
SCL = 0; // 拉低时钟线，开始传输

// 停止信号
void IIC_stop(void)
SDA = 0; // 先拉低数据线
delay_us(5);
SCL = 1; // 拉高时钟线
delay_us(5);
SDA = 1; // 产生停止信号

// 等待应答
uint8_t IIC_wait_ack(void)
uint8_t ack = 0;
SCL = 1; // 拉高时钟线
delay_us(5); // 等待应答
if(SDA) // 读取SDA的情形
ack = 1; // 无应答
IIC_stop();
else
ack = 0; // 有应答
SCL = 0; // 拉低时钟线，准备发送数据
delay_us(5);

return ack;

// 发送应答
void IIC_ack(uint8_t ack)
SCL = 0; // 拉低时钟线
delay_us(5);
SDA = (ack) ? 1 : 0; // 设置应答信号
delay_us(5);
SCL = 1; // 拉高时钟线
delay_us(5);
SCL = 0; // 拉低时钟线准备下一次传输

`

IIC通信的优势

IIC通信协议的优势主要体现在下面内容几许方面：

1. 简单性：IIC协议的结构非常简单，适合多种不同的应用场景。
2. 灵活性：允许多个从设备连接到同一条总线上，节省了引脚数量。
3. 支持多主设备：虽然基本上是一主多从，但IIC协议也可以扩展支持多主设备的应用。
4. 成本效益：由于其所需的引脚较少，因此在设计电路时可以更有效地利用资源。

IIC通信协议因其简单易用、灵活性强而广泛应用于各种电子设备中，尤其适合微控制器和外围设备的连接。通过硬件实现或软件模拟，开发者可以灵活选择合适的技巧来完成IIC通信的设计与开发。在实际应用中，领悟IIC协议的基本原理，掌握其实现手段，将对电子产品的开发具有重要意义。

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