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I2C通信

<p><strong>I2C(Inter-Integrated Circuit)</strong>,中文应该叫<strong>集成电路总线</strong>,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。 <a href="https://pan.erkef.com/s/stj6lq"><img src="https://pan.erkef.com/s/stj6lq" alt="" /></a> <strong>I2C主要特点如下所示:</strong></p> <ul> <li>只需要两条总线;</li> <li>没有严格的波特率要求,例如使用RS232,主设备生成总线时钟;</li> <li>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;</li> <li>I2C是真正的多主设备总线,可提供仲裁和冲突检测;</li> <li>传输速度分为四种模式:</li> </ul> <p>1、标准模式:Standard Mode=100 Kbps</p> <p>2、快速模式:Fast Mode=400 Kbps</p> <p>3、高速模式:High speed mode=3.4 Mbps</p> <p>4、超快速模式:Ultra fast mode=5 Mbps</p> <ul> <li>最大主设备数:无限制;</li> <li>最大从机数:理论上是127。</li> </ul> <h2>1、硬件层</h2> <p>I2C协议仅需要SDA和SCL两个引脚。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。设备间的连接如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/j82tka"><img src="https://pan.erkef.com/s/j82tka" alt="" /></a> 使用I2C,可以将多个从机(Slave)连接到单个主设备(Master)(一对多通信),并且还可以有多个主设备(Master)控制一个或多个从机(Slave)(多对多通信)。</p> <p>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; <a href="https://pan.erkef.com/s/05vy91"><img src="https://pan.erkef.com/s/05vy91" alt="" /></a></p> <p><strong>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:</strong></p> <p><a href="https://pan.erkef.com/s/5wedfi"><img src="https://pan.erkef.com/s/5wedfi" alt="" /></a> 其中VLO是逻辑低电压;</p> <p>IOL是逻辑低电流;</p> <p>TR是信号的最大上升时间;</p> <p>CB是总线(电线)电容;</p> <p>具体如下所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/3btpxr"><img src="https://pan.erkef.com/s/3btpxr" alt="" /></a> 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;</p> <p>灌电流最大值为3mA; 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。</p> <p>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。</p> <p>如果觉得计算电阻值比较麻烦,也可以使用典型值 4.7kΩ。</p> <p>上述推导过程可以参考 TI的文档《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 <a href="https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf">https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf</a></p> <p>最终在调试的时候,当测量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; <a href="https://pan.erkef.com/s/6m3xza"><img src="https://pan.erkef.com/s/6m3xza" alt="" /></a> 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。</p> <h2>2、数据传输协议</h2> <p>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,具体如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/r0xfdy"><img src="https://pan.erkef.com/s/r0xfdy" alt="" /></a> <strong>开始条件</strong></p> <p>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:</p> <p>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;</p> <p>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: <a href="https://pan.erkef.com/s/4yy3lo"><img src="https://pan.erkef.com/s/4yy3lo" alt="" /></a> <strong>地址位</strong></p> <p>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;</p> <p><strong>读写位</strong></p> <p>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 。</p> <p><strong>ACK/NACK</strong></p> <p>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; <a href="https://pan.erkef.com/s/zmsz17"><img src="https://pan.erkef.com/s/zmsz17" alt="" /></a> <strong>数据块</strong></p> <p>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。</p> <p><strong>停止条件</strong></p> <p>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;</p> <ul> <li>先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平;</li> <li>再将SCL线从高电平拉到低电平。 具体如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/e2v9zz"><img src="https://pan.erkef.com/s/e2v9zz" alt="" /></a></li> </ul> <h2>3、工作过程</h2> <p><strong>第1步:起始条件</strong></p> <p>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,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/y8sqpr"><img src="https://pan.erkef.com/s/y8sqpr" alt="" /></a> <strong>第2步:发送从设备地址</strong></p> <p>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,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/8uld0g"><img src="https://pan.erkef.com/s/8uld0g" alt="" /></a> <strong>第3步:接收应答</strong></p> <p>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。</p> <p>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。 <a href="https://pan.erkef.com/s/v7pief"><img src="https://pan.erkef.com/s/v7pief" alt="" /></a> <strong>第4步:收发数据</strong></p> <p>主设备发送或接收数据到从设备,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/khc6h0"><img src="https://pan.erkef.com/s/khc6h0" alt="" /></a> <strong>第5步:接收应答</strong></p> <p>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,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/yafff5"><img src="https://pan.erkef.com/s/yafff5" alt="" /></a> <strong>第6步:停止通信</strong></p> <p>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,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/lly639"><img src="https://pan.erkef.com/s/lly639" alt="" /></a></p> <h3>3.1、单个主设备连接多个从机</h3> <p>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(2的7次方)个从机地址,如下图所示: <a href="https://pan.erkef.com/s/ap7v6m"><img src="https://pan.erkef.com/s/ap7v6m" alt="" /></a></p> <h3>3.2、多个主设备连接多个从机</h3> <p>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;</p> <ul> <li>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;</li> <li>如果SDA线为高电平,则可以安全地发送消息。 <a href="https://pan.erkef.com/s/64iabn"><img src="https://pan.erkef.com/s/64iabn" alt="" /></a></li> </ul>

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