---

一、关于I2C

I2C通讯协议 (Inter Integrated Circuit) 是由 Phiilps 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART 、 CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路 ( IC）间的通讯。I2C是半双工！

上拉电阻可直接使用经典值4.7kΩ。使用I2C设备的灌电流不得超过3mA。逻辑0电压不得高于0.4V。

I2C相关术语的定义如下。
STM32的 I2C 架构剖析如下图。

1. 通讯引脚
2. 时钟控制逻辑：在快速模式下可选择 SCL 时钟的占空比，可选 T low /T high =2 或
   T low /T high =16/9 模式（随意选即可）。I2C 外设输入时钟源为 PCLK1。
3. 数据控制逻辑
4. 整体控制逻辑

为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。（见下）

二、硬件结构

I2C总线器件内部的SDA、SCL引脚电路结构都是一样的，引脚的输出驱动与输入缓冲连在一起。
其中输出为漏极开路的场效应管、输入缓冲为一只高输入阻抗的同相器。

SCLKN1 OUT：串行时钟输出
SCLKN IN：串行时钟输入
DATAN1 OUT：串行数据输出
DATAN1 IN：串行数据输出

（1）由于 SDA、SCL 为漏极开路结构，借助于外部的上拉电阻实现了信号的“线与”逻辑；
（2）引脚在输出信号的同时还将引脚上的电平进行检测，检测是否与刚才输出一致。为 “时钟同步”和“总线仲裁”提供硬件基础。

三、I2C协议

3.1、I2C的三种状态

• 空闲状态：SCL与SDA同时为高电平。
• 工作开始状态：SDA由高电平到低电平，SCL由高电平到低电平。（开始信号）
• 工作停止状态：SDA由低电平到高电平，SCL由高电平到低电平。（结束信号）
  

3.2、数据有效性

• SCL为高电平时，SDA表示的数据有效。
• SCL为低电平时，SDA表示的数据无效，此时正在“DATA CHANGE”。

3.3、应答信号

含“应答（ACK）”与“非应答（NACK）”。

在第9个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制 SDA ，若 SDA 为高电平，表示非应答信号（NACK），低电平表示应答信号（ACK）。

3.4、总线时序

每一帧数据由9bit组成，

• 如果是发送数据，则包含8bit数据+1bit ACK；
• 如果是设备地址数据，则8bit包含7bit设备地址 1bit方向。

3.5、读写时序

• 主机发送开始信号给从机，唤醒所有主从机
• 主机发送7位的地址位+1位的读写位给从机
• 等待地址匹配从机的应答信号
• 主机发送或接收数据到从机
• 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
• 结束之后主机发出停止信号

读写位：

• 0表示主设备向从设备(write)写数据
• 1表示主设备向从设备(read)读数据

3.5.1、读

3.5.2、写

3.6、死锁

I2C总线写操作过程中，主机在产生启动信号后控制SCL产生8个时钟脉冲，然后拉低SCL信号为低电平，这时从机输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。
如果这时主机异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从机没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。对于主机来说，复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，主机等待从机释放SDA信号，而同时从机又在等待主机将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种死锁状态。同样，当I2C进行读操作时，从机应答后输出数据，如果在这个时刻主机异常复位而此时从机输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

解决方法：
（1）从机电源设计为可控，总线死锁时将从机复位。
（2）从机程序添加监测功能，总线长时间被拉低则释放对总线控制。
（3）主机中增加I2C总线恢复程序。每次主机复位后，如果检测到SDA被拉低，则控制SCL产生<=9个时钟脉冲(针对8位数据的情况)，每发送一个时钟脉冲就检测SDA是否被释放，如果SDA已经被释放就再模拟产生一个停止信号，这样从机就可以完成被挂起的读写操作，从死锁状态中恢复过来。（有局限性——软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲）

3.7、仲裁

当SCL 线是高电平时，仲裁在SDA 线发生；在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平与它自己的电平不相同。

四、软件I2C&硬件I2C

• 软件IIC：指用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。
• 硬件IIC：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，直接调用内部寄存器进行配置。

相对来说，硬件I2C效率更高，软件I2C接口更灵活。

五、AT24C02

基本描述：2k bit串行EEPROM存储器，内含256字节。里面有一个8字节页写缓冲器。

从器件地址如下图。（前四位固定为1010）

1. 芯片寻址：
   A2~A0为由管脚电平（为000），最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。
   也即
   写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
   读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。
2. 片内地址寻址：
   芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。
   对应修改A2A1A0即可。

六、代码编写

6.1、I2C初始化

void IIC_init()//IIC初始化
{SCL=1; //首先把时钟线拉高delay_us(4);//延时函数SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高delay_us(4); //延时函数
}

6.2、开始信号

//产生IIC起始信号
//首先拉高SDA，再拉高SCL，空闲状态
//最后拉低SDA
void IIC_Start()//启动信号
{SDA=1; //确保SDA线为高电平delay_us(5);SCL=1;  //确保SCL高电平delay_us(5);//以下这一步产生了开始信号的脉冲SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线，即为起始信号delay_us(5);
}

6.3、ACK/NACK信号

//CPU产生ACK信号
void I2C_Ack(void)
{I2C_SDA_Low();I2C_Delay();I2C_SCL_High();I2C_Delay();I2C_SCL_Low();I2C_Delay();I2C_SDA_High();
}
//CPU产生NACK信号
void I2C_NoAck(void)
{I2C_SDA_High();I2C_Delay();I2C_SCL_High();I2C_Delay();I2C_SCL_Low();I2C_Delay();
}
//CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
uint8_t I2C_WaitToAck(void)
{uint8_t redata;I2C_SDA_High();I2C_Delay();I2C_SCL_High();I2C_Delay();if(I2C_SDA_READ()){redata = 1;}else{redata = 0;}I2C_SCL_Low();I2C_Delay();return redata;}  　

6.4、发送1byte数据

//IIC发送一个字节
//返回: 从机有无应答
//0，无应答   
//1，有应答         //只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变
//总结：在SCL为低电平期间，发送数据，发送8次数据，数据为1,SDA被拉高，数据为0，SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定，所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
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;   //获取最高位//获取数据的最高位，然后左移7位//如果某位为1，则SDA为1，否则相反if((txd&0x80)>>7)IIC_SDA=1;elseIIC_SDA=0;txd<<=1;       delay_us(2);   IIC_SCL=1;delay_us(2); IIC_SCL=0;    delay_us(2);}     
}       

6.5、读取1字节

//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,表示不再接收数据elseIIC_Ack();         //发送ACK   return receive;
}

6.5、停止信号

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA，再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{IIC_SCL=0;IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时，数据由低变高delay_us(4);IIC_SCL=1; IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号delay_us(4);							   	
}

参考自:1、2、3

---