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STM32 IIC通信协议详解

1、IIC总线协议介绍

IIC：Inter Integrated Circuit，集成电路总线，是一种同步串行半双工通信总线。

IIC总线结构图

  1. 由时钟线SCL和数据线SDA组成，并且都接上拉电阻，确保总线空闲状态为高电平
  2. 总线支持多设备连接，允许多主机存在，每个设备都有一个唯一的地址

IIC协议时序

  1. 起始信号(S)：当SCL为高电平时，SDA从高电平变为低电平
  2. 停止信号§：当SCL为高电平时，SDA从低电平变为高电平
  3. 应答信号：上拉电阻影响下SDA默认为高，而从机拉低SDA就是确认收到数据即ACK，否则NACK

在发送起始信号后开始发送数据，数据以8字节进行传输，先发送高位，然后次高位，在发送完8字节后，释放SDA线，第九次检测应答信号，等待从机的反应，前面说到SDA线接上拉电阻，空闲状态是高电平，所以释放SDA后，如果从机把SDA置为低电平，说明收到数据发送了应答信号ACK，如果没反应还是高电平说明是NACK。

2、软件IIC和硬件IIC

硬件IIC是由STM32内部的硬件模块实现的，利用CPU的时钟信号来控制数据传输和时序，通信速度快，可达几十MHz。硬件I2C外设，有时候就突然会卡在某个事件的检测，需要关闭电源重新启动才有用。其主要优点包括：高速通信能力。实现简单，无需复杂的编码。

软件IIC是通过CPU的GPIO模拟实现的，通过软件控制时序和数据传输，通信速度较慢，一般在几十kHz到几百kHz之间。其主要优点包括：可以在STM32的任何GPIO上实现IIC通信，更加灵活。可以实现任意时序，提供更大的灵活性。

硬件IIC和软件IIC各有优缺点，选择应根据具体的应用需求而定。若需要高速通信，建议选择硬件IIC；若需要多路通信或灵活的时序控制，则建议选择软件IIC。

硬件IIC

实现硬件IIC的代码需要使用STM32的内部硬件模块，具体步骤如下：
配置GPIO用于IIC通信，将SCL和SDA引脚分别配置为复用推挽输出模式；
配置I2C控制器，包括I2C时钟频率、I2C地址、I2C工作模式等参数；
启动I2C控制器，并发送数据或接收数据。

#include "stm32f10x.h"
 
void i2c_init(void)
 
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

    // 打开GPIOB和I2C1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

    // 配置PB6和PB7为复用推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置I2C1控制器
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;    // I2C时钟频率为100kHz
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    // 启动I2C1控制器
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}
 
void i2c_write_byte(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data)
{
    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送设备地址和写命令
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    // 发送寄存器地址
    I2C_SendData(I2C1, reg);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    // 发送数据
    I2C_SendData(I2C1, data);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    // 发送停止信号
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}
 
uint8_t i2c_read_byte(uint8_t addr, uint8_t reg)
{
    uint8_t data;

    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送设备地址和写命令
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    // 发送寄存器地址
    I2C_SendData(I2C1, reg);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    // 发送重复起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送设备地址和读命令
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Receiver);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));

    // 读取数据
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
    data = I2C_ReceiveData(I2C1);

    return data;
}

软件IIC

软件i2c是使用程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。

void iic_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SCL引脚时钟使能 */
    IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SDA引脚时钟使能 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;            /* 推挽输出 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                    /* 上拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;          /* 高速 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);    /* SCL */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;            /* 开漏输出 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);    /* SDA */
    /* SDA引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了, 开漏输出的时候(=1), 也可以读取外部信号的高低电平 */
}

static void iic_delay(void)
{
    delay_us(2);
}

/* 起始信号 */
void iic_start(void)
{
    /* SCL为高电平期间, SDA从高电平往低电平跳变*/
    IIC_SDA ( 1 );
    IIC_SCL ( 1 );
    iic_delay( );
    IIC_SDA ( 0 );
    iic_delay( );
    IIC_SCL ( 0 );
    iic_delay( );  /* 钳住总线, 准备发送/接收数据 */
}

/* 停止信号 */
void iic_stop(void)
{
    /* SCL为高电平期间, SDA从低电平往高电平跳变*/
    IIC_SDA ( 0 );
    iic_delay( );
    IIC_SCL ( 1 );
    iic_delay( );
    IIC_SDA ( 1 );  /* 发送总线停止信号*/
    iic_delay( );
}

/* 等待应答信号 */
uint8_t iic_wait_ack (void) /* return 1:fail 0:succeed*/
{
    IIC_SDA (1);    /* 主机释放SDA线 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);    /* 从机返回ACK*/
    iic_delay( );
    if ( IIC_READ_SDA ) /* SCL高电平读取SDA状态*/ 
    {
        iic_stop();     /* SDA高电平表示从机nack */ 
        return 1;
    }
    IIC_SCL(0);         /* SCL低电平表示结束ACK检查 */ 
    iic_delay( );
    return 0;
}

/* 应答信号 */
void iic_ack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);
    iic_delay( );
    IIC_SDA (0);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);
    iic_delay( );
}

/* 非应答信号 */
void iic_nack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);
    iic_delay( );
    IIC_SDA (1);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);
    iic_delay( );
}

/* 发送一个字节数据 */
void iic_send_byte(uint8_t data)
{
    for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
    {
        /* 高位先发 */
        IIC_SDA((data & 0x80) >> 7);
        iic_delay( );
        IIC_SCL ( 1 );
        iic_delay( );
        IIC_SCL ( 0 );
        data <<= 1;     /* 左移1位, 用于下一次发送 */
    }
    IIC_SDA ( 1 );      /* 发送完成,主机释放SDA线 */ 
}

/* 读取1字节数据 */
uint8_t iic_read_byte (uint8_t ack)
{ 
    uint8_t receive = 0 ;
    for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
    {
        /* 高位先输出，先收到的数据位要左移 */ 
        receive <<= 1;
        IIC_SCL ( 1 );
        iic_delay( );
        if ( IIC_READ_SDA ) receive++;
        IIC_SCL ( 0 );
        iic_delay( );
    }
    if ( !ack ) iic_nack();
    else iic_nack();
    return receive;
}

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