I2C通信

article/2025/10/24 16:03:45

  I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，它只有两根双向信号线。一根是数据线SDA（serial data I/o），另一根是时钟总线SCL（serial clock）。

如下图所示，I2C总线上可以挂接多个器件，而每个器件都有唯一的地址，这样可以标识通信目标。数据的通信方式采用主从方式，主机负责主动联系从机，而从机则被动回应数据。

I2C总线的搭建

因为任何带有I2C硬件接口的器件都是开漏I型I/O口，不具备输出高电平的能力，所以2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连接到总线上的任一器件输出的低电平都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是“线与”关系，如下图所示。

 I2C总线传输协议

在I2C总线通信的过程中，参与通信的双方互相之间所传输的信息种类归纳如下。

　　主机向从机发送的信息种类有：启动信号、停止信号、7位地址码、读／写控制位、10位地址码、数据字节、重启动信号、应答信号、时钟脉冲。

   从机向主机发送的信息种类有：应答信号、数据字节、时钟低电平。

1、传送数据的有效性规定

SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，只有当SCL信号为低电平期间，SDA状态才允许变化。在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），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。

时序图如下图所示

I2C的起始信号与终止信号

SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号，它标志着一次数据传输的开始。SCL为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号，它标志着传输数据结束。

时序图如下图所示

I2C的字节传送与应答

每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一个应答位（即一帧共有9位）。应答位即主机向从机发送数据时，

时序图如下图所示

应答位(ACK)的作用

I2C总线上的所有数据都是以8位字节传送的，主机每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由从机反馈一个应答信号。

主机在发送数据时，每次发送一字节的数据，都需要读取从机的应答位，当从机空闲可以接收该字节数据时，从机会发出应答（一帧数据的第9位为“0”），当从机正忙于其它工作的处理来不及接收主机发送的数据时，从机会发出非应答（一帧数据的第9位为“1”），主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送，主机通过从机发出的应答位来判断从机是否成功接收数据，对于反馈有效应答位ACK的要求是，从机在第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。

当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号，这个信号是由对从机的“非应答”来实现的，然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

插入等待时间

如果从机需要延时下一个数据字节开始传送的时间，则可以通过把时钟总线SCL电平拉低并且保持，使主机进入等待状态，如果从机释放时钟总线，数据就可以被继续传输下去，这样就使得从机得到足够的时间转移已收到的数据，或者准备好即将发送的数据。

I2C写数据流程

 

 如上图所示，S代表START ,首先主机先发送一个起始信号，然后接着发送7位器件地址+第八位数据传送方向位0/1（“0”代表主机发送数据，“1”代表主机接收数据），发送完地址后，等待从机应答（灰色为主机所发送的，白色为从机负责发送的），当从机应答后，主机会发送向从机写入数据的首地址，从机应答后，主机即向从机发送数据，每发送完一位，等待一从机一次应答，数据传输完成后，主机发送一个停止信号即完成了数据的传输。

时钟总线为高电平期间，数据可以被读取，当SCL为低电平期间，可以向数据总线SDA线上写数据。

I2C读数据流程

主机线发送一个起始信号，然后发送一个从机地址代表选择读取哪个从机的数据，读写方向为写（因为是给从机发送地址信号），然后等待从机应答，应答后，主机选择要从从机的的哪个内存地址开始读，然后不管从机是否应答，主机即开始再次发送一个起始信号，然后接着发送从机地址，读写方向为读，然后从机应答后开始向主机发送数据，发送完成后主机发送一个非应答信号和停止信号，即完成了I2C读数据的流程。

使用I2C通信时通常要注意几点

下面即为软件模拟I2C时序

#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

#define slave_address 0x00   //假设从机地址位0x00

sbit SDA = P2^0;                   //假设P2.0和P2.1为I2C的数据总线与时钟总线
sbit SCL = P2^1;

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：软件延时
*******************************/
void delay(uchar i)
{
  uchar j,k; 
  for(j=i;j>0;j--)
  for(k=125;k>0;k--);
}
/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：I2C初始化
*******************************/
void I2C_Init()//I2C初始化，使总线处于空闲状态
{
        SCL = 1;  //拉高SDA、SCL,使总线处于空闲状态
        _nop_();
        SDA = 1;
        _nop_();
}
/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：I2C起始信号
*******************************/
void I2C_Start() //SCL为高电平期间，SDA负跳变1->0
{
        SCL = 1;    
        _nop_();
        SDA = 1;
        delay(5);
        SDA = 0;
        delay(5);
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：I2C终止信号
*******************************/
void I2C_Stop()  //SCL为高电平期间，SDA正跳变          0->1
{
        SDA = 0;
      _nop_();
        SCL = 1;
        delay(5);
        SDA = 1;
        delay(5);
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：主机发送应答
*******************************/
void Master_ACK    (bit i)        //主机发送应答
{
        SCL = 0;             //拉低时钟总线允许SDA数据总线变化
        _nop_();                //让总线稳定
        if(i)                    //若果i等于1，则拉低时钟线，表示主机应答
        {
            SDA = 0;        //表示主机应答
        }
        else
        {
            SDA = 1;        //发送非应答
        }
        _nop_();            //让总线稳定
        SCL = 1;            //拉高时钟总线，让从机从SDA数据线上读走主机的应答信号
        delay(5);
        SCL = 0;            //拉低时钟总线，占用总线，使双方继续通信
        _nop_();
        SDA = 1;            //释放数据总线，交由从机控制
        _nop_();
        
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：应答检测
*******************************/
bit Test_ACK()
{
        SCL = 1;        //SCL时钟总线为高电平时才能读到SDA数据线上的数据
        delay(5);
        if(SDA)
        {
            SCL = 0;
            _nop_();
            I2C_Stop();
            return(0);        //如果为非应答返回0
        }
        else
        {
            SCL = 0;
            _nop_();
            return(1);
        }        
}
 
/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：发送一个字节
*******************************/
void I2C_send_byte(uchar byte)
{
    uchar i;    
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        SCL = 0;
        _nop_();
        if(byte & 0x80)
        {
            SDA = 1;
            _nop_();
        }
        else
        {
            SDA = 0;
            _nop_();
        }
        SCL = 1;
        _nop_();
        byte <<= 1;
    }
        SCL = 0;        //占用时钟总线
        _nop_();
        SDA = 1;        //释放数据总线
        _nop_();
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：i2c读一个字节
*******************************/
uchar I2C_read_byte()
{
        uchar I2C_data,i;
        SCL = 0;
        _nop_();
        SDA = 0;
        for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
        {
            SCL = 1;
            _nop_();
            I2C_data <<= 1;  //读完最后一位数据时不会再次移位
            if(SDA)
            {
                I2C_data = I2C_data | 0x01; 
            }
            else
            {
                I2C_data = I2C_data & 0xfe;
            }
            _nop_();
            SCL = 0;
            _nop_();
        }
        return(I2C_data);
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：i2c发送数据
*******************************/
bit I2C_transmit_data(uchar ADDR,DAT)
{
        I2C_Start();    //SCL为高电平期间SDA负跳变
        I2C_send_byte(slave_address + 0); //发送从机地址
        if(!Test_ACK) //检测应答，如果为非应答Test_ACK则返回0，则条件成立
        {
            return(0);
        }
        I2C_send_byte(ADDR);//发送往从机的写地址
        if(!Test_ACK) //如果为非应答
        {
            return(0);
        }
        I2C_send_byte(DAT);//传送8位数据，一位一位传送，最高位先开始
        if(!Test_ACK) //检测应答，如果为非应答
        {
            return(0);
        }
        I2C_Stop();        //停止信号，SCL为高电平期间，SDA正跳变
        return(1);
}

/******************************
** 函数名称：
** 函数功能：i2c读数据
*******************************/
uchar I2C_receive_data(uchar ADDR)
{
        uchar DAT;
        I2C_Start();
        I2C_send_byte(slave_address + 0);  
        if(!Test_ACK) //如果为非应答
        {
            return 0;
        }
        I2C_send_byte(ADDR);
        if(!Test_ACK) //如果为非应答
        {
            return 0;
        }
        Master_ACK(0);
        I2C_send_byte(slave_address + 1);
        if(!Test_ACK) //如果为非应答
        {
            return 0;
        }
        DAT = I2C_read_byte();
        Master_ACK(0);
        I2C_Stop();
        return(DAT);
}
void main()
{
        
        I2C_Init();        //初始化，使总线保持空闲状态
        I2C_transmit_data(255,0xf0);
        delay(5);  //软件延时，为了使能够完整的读取出数据
        I2C_receive_data(255);
        while(1);
        
        
}

 


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