从IIC实测波形入手,搞懂IIC通信

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玩单片机的朋友都知道IIC通信这个工具,但好多人只是会用,内部的原理不求甚解,或是想要了解其原理,但却对抽象的时序描述一头雾水。本文将从实测的IIC波形入手,带你看到真实的IIC样子,进而去理解IIC的通信原理。

1IIC基础知识

首先复习一下IIC基础知识,这部分看不懂的请先带着疑问,然后我们通过分析IIC的真实波形,这些疑问可能就豁然开朗了~

1.1 IIC是什么
IIC(Inter Integrated Circuit,集成电路总线)是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线,可发送和接收数据。在 CPU (单片机)与IIC模块之间、IIC模块与IIC模块之间进行双向传送。

IIC的一些特点:

  • IIC是半双工,而不是全双工

  • IIC是真正的多主机总线,(对比SPI在每次通信前都需要把主机定死,而IIC可以在通讯过程中,改变主机),如果两个或更多的主机同时请求总线,可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏

  • 起始和终止信号都是由主机发出的,连接到IIC总线上的器件,若具有IIC总线的硬件接口,则很容易检测到起始和终止信号

  • 在起始信号后必须发送一个7位从机地址+1位方向位,用“0”表示主机发送数据,“1”表示主机接收数据。

  • 每当主机向从机发送完一个字节的数据,主机总是需要等待从机给出一个应答信号,以确认从机是否成功接收到了数据

  • 起始信号是必需的,结束信号和应答信号,都可以不要

注:实际使用中,一般是单片机作为主机,其它器件作为从机,单片机先向器件发送信息表示要读取数据,之后转变传输方向,器件发送数据到单片机。

1.2 IIC物理连接
使用IIC通信的IIC器件有很多,比如陀螺仪加速度计MPU6050,EEPROM存储芯片AT24C02等,通过IIC总线,可以与单片机之间进行数据传输。

  • IIC通信线只有只有两根,数据线SDA的高低电平传输2进制的数据,时钟线SCL通过方波信号提供时钟节拍

  • 多个IIC器件可以并联在IIC总线上,每个器件有特定的地址,分时共享IIC总线

  • 实际使用IIC当然还要连接电源以及共地哦

从IIC实测波形入手,搞懂IIC通信

1.3 IIC时序
网上查找IIC的基础知识,可能会搜到这样的时序图:

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看起来好复杂的样子,这时可能一部分人就放弃思考了。

1.3.1 IIC起始结束信号
好吧,换个简单点的图,你也可能会搜到这样的图:

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这张图看起来更简单一些,描述了IIC的起始和停止条件:

  • 起始:时钟线SCL为高时,数据线SDA由高到低

  • 停止:时钟线SCL为高时,数据线SDA由低到高

注:SDA和SCL同时为高时,为IIC总线的空闲状态

1.3.2 IIC应答
再来看下面这张图:

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这表示IIC的应答机制

  • 下面的波形:SCL,主机产生的时钟脉冲

  • 上面的波形:SDA,主机发送的8位数据

  • 中间的波形:SDA,从机在第9个时钟信号进行拉低回应,表示收到了主机发来的数据,拉高则表示不应答

注:实际上,上面和中间是同样的SDA线,这里只是分开示意。因为IIC应答是一种相互关系,单片机发数据给IIC器件,IIC器件要进行应答,表示收到了数据,同样,单片机接收IIC器件的数据后,也要给IIC器件一个应答。

既然发送完都需要对方回应,那什么时候使用不应答呢?就是在读取到本次数据后,如果不需要继续读取,则发送非应答,对方以为你没收到这次数据,则就不会继续发送了。

1.3.3 IIC完整传输时序

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  • 开始标志(S)发出后,主设备会传送一个7 位的Slave 地址,并且后面跟着一个第8位,称为Read/Write 位。

  • R/W 位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。

  • 然后,主设备释放SDA 线,等待从设备的应答信号(ACK)。每个字节的传输都要跟随有一个应答位。

  • 应答产生时,从设备将SDA 线拉低并且在SCL 为高电平时保持低。

  • 数据传输以停止标志(P)结束,然后释放总线。但主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备,而不发出结束标志。

  • 所有的SDA 信号变化都要在SCL 时钟为低电平时进行,除了开始和结束标志

1.4 常用的数据收发方式(时序)
上面1.3小节是IIC的基础时序,在实际使用中,一般是对某个IIC器件的某个寄存器进行读写操作,因此,对于寄存器的读写操作,还要遵循下面的组合时序逻辑。

1.4.1 写一个字节
用于对IIC器件某个寄存器的配置,如对MPU6050的某些参数进行设置。

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  • 写寄存器时,主设备除了发出开始标志和地址位,还要加一个R/W 位,0 为写,1 为读

  • 在第9 个时钟周期(高电平时),MPU6050 产生应答信号

  • 主设备开始传送寄存器地址,并接到应答

  • 然后开始传送寄存器数据,仍然要有应答信号

  • 最后主设备发送停止信号。

1.4.2 连续写多个字节
对连续地址的写入,这个用的较少。

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通信时序与上面的“写一个字节”类似,上面是写一个字节后就停止了,若要连续写,则继续写即可,只要可以收到从机Ack。

1.4.3 读一个字节
用于读取IIC器件某个寄存器的数值。

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首先由主设备产生开始信号,然后发送从设备地址位和一个写数据位,等待应答

然后发送寄存器地址,才能开始读寄存器

收到应答信号后,主设备再发一个开始信号,然后发送从设备地址位和一个读数据位

然后,作为从设备的MPU6050 产生应答信号并开始发送寄存器中的数据

通信以主设备产生的拒绝应答信号(nACK)和结束标志(Stop)结束

拒绝应答信号(nACK)产生定义为SDA 数据在第9 个时钟周期一直为高

1.4.4 连续读多个字节

也是用于读取IIC器件某个寄存器的数值,当某些数据一位字节不够表示,或有一组连续的数据需要读时,可以使用该模式。

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通信时序与上面的“读一个字节”类似,上面是读一个字节后就nAck叫停,若要连续写,则发送Ack,直到不需要继续读时再回复nAck。

复习了这么多,之前对IIC懵懵懂懂的是否依然犯迷糊,好了,现在从理论进入实践,看看真实的IIC是什么样子。

2初识IIC真实波形

下面这张图(请横屏观看)是通过示波器抓取的IIC波形,可以看到:

  • 时钟线SCL是一种间歇性的方波(需要通信时才产生方波)

  • 数据线SDA根据SCL提供的节拍,高电平代表数据1,低电平代表数据0

  • 没有数据传输时,SDA和SCL均为高电平状态

  • 起始信号后,数据是9个一组,包括8位的数据和另一方的1位回应

图中红色数字表示单片机发送的8位数据,黄色数字表示IIC器件回应的信号,低电平0表示器件收到了单片机发来的数据。

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现在对IIC波形有没有多了一些直观的认识?下面再进入编程阶段,看看程序是怎么控制这两根线的。

3IIC软件编写逻辑

IIC通信可以使用单片机自带的硬件IIC,它提供了固定的引脚接口和函数库。也可以自己通过软件编写来实现IIC时序,这时就可以任选引脚,也方便其它硬件平台的移植。

下面通过软件IIC的编写,从软件角度理解IIC通信逻辑。

以下函数都是单片机在执行,即主机发出的动作,所以一定要从单片机的角度思考哦~

另外,不要看到程序就匆匆掠过,为帮助理解,我对代码进行了一定的注解,仔细分析每条代码,想想与IIC的逻辑如何对应起来,IIC逻辑还没懂的,读完本篇,分析过真实的IIC波形后,再来看看代码,会有不一样的体会。

起始IIC_Start()


//==================================
//产生IIC起始信号
//==================================
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();   //sda线输出
    IIC_SDA=1;    
    delay_us(2);    
    IIC_SCL=1;   //时钟线为高时
    delay_us(2);
    IIC_SDA=0;   //数据线由高到低
    delay_us(4);
    IIC_SCL=0;   //时钟线拉低,钳住IIC总线,准备发送数据
}

最后一句SCL拉低,然后就准备产生时钟信号,发送数据了。

停止IIC_Stop()


//==================================
//产生IIC停止信号
//==================================
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();  //sda线输出
    IIC_SCL=0;  //确保时钟线为低时,数据线才能变化为0,否则这就可能成起始信号了!
    delay_us(2);
    IIC_SDA=0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;  //时钟线为高时
    IIC_SDA=1;  //数据线由低到高
    delay_us(4);                                
}

停止前也要确保SCL是拉低的状态。

最后SDA和SCL都为高,即释放IIC总线,IIC总线进入空闲状态。

等待应答IIC_wait_Ack()


//==================================
//等待应答信号到来
//用于发送模式下,发送8位后,等待器件应答第9位
//返回值:1,接收应答失败
//        0,接收应答成功
//==================================
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
    u8 ucErrTime=0;
    SDA_IN();                 //SDA设置为输入  
    IIC_SDA=1;delay_us(1);    //SDA先拉高,若被从机拉低则说明收到应答信号
    IIC_SCL=1;delay_us(1);    //SCL拉高,产生第9位的脉冲
    while(READ_SDA)
    {
        ucErrTime++;
        if(ucErrTime>250)
        {
            IIC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL=0;//时钟输出0   //SCL拉低,结束第9位的脉冲
    return 0;  
}

在一定是时间内检测SDA是否被从机拉低,被拉低则说明从机收到了数据。

产生应答IIC_Ack()


//==================================
//产生ACK应答
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后,在第9位给出一个应答,我还要继续读
//==================================
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL=0;    //确保时钟线为低时,数据线才能变化为0,否则这就可能成起始信号了!
    SDA_OUT();    //SDA由读取改为发送
    delay_us(2);
    IIC_SDA=0;    //拉低SDA,表示应答
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;    //SCL先上升
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;    //SCL再下降,形成一个脉冲,应答才生效
}

单片机在接收器件数据后,进行回应,表示接收到了器件的数据。

该函数用在连续读取多个字节时,每读完一个字节(8位),产生回应,表示还要进行读,这时器件就可以继续发数据了。

当单片机不需要继续读,如连续读的最后一个字节,或只读一个字节,单片机发送非应答信号,这时器件以为单片机没有收到数据,接下来就不会再发数据了。

非应答函数如下,就是拉高SDA:

不产生应答IIC_nAck()


//==================================
//不产生ACK应答
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后,在第9位给出一个应答,我不想读了
//==================================
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL=0;    //确保时钟线为低时,数据线才能变化为0,否则这就可能成起始信号了!
    SDA_OUT();    //SDA由读取改为发送
    IIC_SDA=1;    //拉高SDA,表示不应答
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;    //SCL先上升
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;    //SCL再下降,形成一个脉冲,不应答才生效
}

IIC发送一个字节


//==================================
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1,有应答
//0,无应答
//==================================
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;  
    SDA_OUT();                 //SDA发送模式
    IIC_SCL=0;                 //拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; //SDA高低电平表示数据1和0
        txd<<=1;      
        delay_us(2);           //对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL=1;             //SCL先上升
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;             //SCL再下降,形成一个脉冲,发送一位数据生效
        delay_us(2);
    }
}

发送一个字节,就是分8次循环,产生8个时钟信号,并将SDA赋值为0或1。

IIC读取一个字节


//==================================
//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输入模式
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        IIC_SCL=0;             //SCL先下降,通过循环,形成时钟脉冲
        delay_us(2);
        IIC_SCL=1;             //SCL上升
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)
            receive++;         //读取并组合记录数据,++表示读到1了,最低位置1
        delay_us(1);
    }
    //读取8位后,主机需要变为发送模式,在第9位进行应答或不应答
    //此时CLK还是高电平状态,不过下面的应答会先将CLK拉低的
    if (!ack)
    {
        //读1个字节,或读多个字节读到最后一个字节时,使用nACK
        //然后配合使用IIC停止信号
        IIC_NAck();//发送nACK
    }
    else
    {
        //读多个字节还没读完时,使用ACK,表示现在读的ok,还要继续读
        IIC_Ack(); //发送ACK
    }       
    return receive;
}

读取一个字节,也是分8次循环,产生8个时钟信号,并读取SDA的高低电平信号,最后,根据要不要继续读下一个字节,发送第9位的Ack或nACK。

4真实IIC波形详细分析

4.1 读取从机数据(单字节读)
下面这张图(请横屏观看)展示IIC读某个器件的寄存器的一个字节的真实波形(注:实际是读了2个不同寄存器的值,每个寄存器读了1个字节,所以,可以先只看前半部分哦~),我已对波形进行了详细的注解,并留意一下颜色区分。

对照着图,再来温习一下各个信号的特点:

  • 起始信号:时钟线SCL为高时,数据线SDA由高到低

  • 停止信号:时钟线SCL为高时,数据线SDA由低到高

  • 数据信号:连续的8位,每一个SCL脉冲时钟对应的SDA,高电平为数据1,低电平为数据0

  • 应答信号:第9位(数据信号后),由对方产生的回应,0为产生回应,1为不产生回应

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上面这幅图中,单片机先产生起始信号,然后发送7位器件地址+1位写标志(绿色的0),并等待从机回应(从机拉低SDA表示收到数据),接着发送8位寄存器地址,并等待从机回应。然后,单片机先再次产生起始信号,发送7位器件地址+1位读标志(绿色的1),并等待从机回应。从机收到读的信号后,从机开始发送8位数据,主机接收到数据后,主机发送nAck不应答信号(图中的Ack(1),主机将SDA拉高,从机则认为主机刚才没有收到它发送的数据,从机将不再继续发送),接着主机发送结束信号,读取完成。

此图后半部分是以相同方式读了另一个寄存器的值。

另外,SCL信号都是由单片机产生,SDA信号由单片机和IIC器件(从机)共同产生,当需要对IIC器件的寄存器写时,单片机产生SDA数据,当需要读取IIC器件的寄存器数据时,改变传输方向,IIC器件产生SDA数据。

对于主机和从机什么时候控制SDA,还可以参考这个图帮助理解:

从IIC实测波形入手,搞懂IIC通信

4.2 读取从机数据(多字节读)
上面是单字节读的波形,再来看看多字节的波形,前面的写器件地址、写寄存器地址1与单字节读一样,这张图只显示了后面不一样的部分,主要区别在于单片机接收到数据1后,产生低电平的应答,从而可以继续读取数据2。

(注意,因为传感器这次测得的数据不一样,所以读出的数据也不一样哦~)

从IIC实测波形入手,搞懂IIC通信

注:以上的IIC真实波形,是使用是硬件IIC,自己编写的软件IIC测得的波形,可能在两个信号的前后延时时间上稍有差别,但整体的时序逻辑肯定是一样的。

4.3 配置从机寄存器(单字节写与多字节写)
对于寄存器的配置,也就是IIC的写寄存器操作,我就不放图了,参考上面的“常用的数据收发方式(时序)”以及上面的IIC读寄存器的真实波形,IIC的写寄存器的真实波形,应该可以脑补出哦,哈哈~

最后

通过真实的IIC波形分析,对IIC通信逻辑有没有更加直观的认识呢?

原创不易,觉得有用请多多关注支持~

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转载自blog.51cto.com/15060517/2641138

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