I2C详解--以51单片机和MMA8451Q为例

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摘要

I2C(Inter－Integrated Circuit)是由NXP(恩智浦)半导体开发的一种简单的双向两线制总线协议标准。它作为电子行业中最常见的串行通讯协议，虽然书面可以写成I2C，但实际它实际写法是\(I^2C\) 读作[I fang C]。

它只需要2个引脚--SDA（双向数据线）和SCL(时钟线)，就可以完成芯片间的通信，这种便捷的应答机制的提出让微控制器，电源、显示、传感器等芯片间能够简单快速的互联互通。

本文详细介绍了I2C的几种传输信号，并以51架构的芯片和三轴加速度传感器为例提供了一套模拟I2C的解决方案。

1.I2C协议

参考知乎文章 一文看懂I2C协议

I2C协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。

  • 标准模式(Standard)：100kbps
  • 快速模式(Fast)：400kbps
  • 快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
  • 高速模式(High-speed)：3.4Mbps
  • 超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（单向传输）

对于I2C协议来说其实只有非常基础的几种信号：起始、停止、数据、应答和非应答信号。

  1. 起始信号：I2C协议规定，SCL处于高电平时，SDA由高到低变化，这种信号是起始信号。

  2. 停止信号：SCL处于高电平，SDA由低到高变化，这种信号是停止信号。

  3. 数据信号：I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。而且一次允许传输的是1个字节的数据量。

  4. 应答信号：应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

  5. 非应答信号：当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号，通常在读到数据时不需要从机回应，主机可以不放开总线控制权。

2.I2C读写时序图阅读

在芯片手册中通常可以找到芯片的I2C时序图，下面以MMA8451Q为例，其时序图如下

MMA8451Q时序图

左上角的“<>”中代表着是想要进行的操作，如single-byte read，意思是进行单字节读取。下面的master和slave分别代表主机需要进行的操作和从机需要进行的操作。这里主机指的是主控芯片，从机指的是MMA8451Q。

如果想要从从机这读取单个数据，主机需要先发送一个ST + device address + w，即发送一个起始信号+设备地址数据信号+写信号，其中地址信号是7位的，写信号是1位，加起来就是一个字节的数据信号。随后主机放开控制权，从机会返回一个应答信号，表示通信正常。然后主机将需要读取的寄存器信号地址发送给从机，再收到一个应答，这时候主机需要再发送一个起始信号+设备地址信号+读信号，从机在发送应答后会发送数据给主机，这时候主机收到信号不需要应答，发送一个停止信号即可。

这就是一个完整的读取信息通信过程。

3.I2C读写程序编写

在使用单片机时，通常芯片厂商会配置好硬件I2C，只需要根据例程修改即可使用。但有时可能会出现硬件功能无法正常使用等情况。同时为了更好的了解I2C协议，这里使用模拟I2C来实现通信。

首先需要在硬件原理图中找到I2C通信的两个端口，并将它们初始化为开漏输出模式，注意硬件部分的端口需要加一个上拉电阻，否则无法输出高电平。

为了方便起见，这里使用宏定义将引脚换个名字，我以51架构芯片的P44和P45脚为例，这里请根据自己的主控芯片和硬件原理图进行修改。

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#define I2C_SDA P45
#define I2C_SCL P44

MMA8451的读写地址和寄存器位置也可以在芯片手册中找到。 

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#define  MMA8451Q_WRITE		    0x38		/*Write Cmd*/
#define  MMA8451Q_READ          0x39     	/*Read  Cmd*/

#define MMA8451Q_CTRL_REG1      0x2A        /*control registers*/
#define MMA8451Q_CTRL_REG2      0x2B
#define MMA8451Q_WHO_AM_I       0x0D

下面是示例代码，注意要根据主控芯片和传感器自行修改。

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/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_Delay
 ** \param 
 **            	
 ** \return  
 ** \note  
 *****************************************************************************/
static void I2C_Delay(void)
{
	uint16_t i;
	for(i=0;i<1;i++);
}

/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_Start
 ** \param 
 **            	
 ** \return  
 ** \note  
 *****************************************************************************/
void I2C_Start(void){
	I2C_SDA=1;
	I2C_SCL=1;
	I2C_Delay();
	I2C_SDA=0;
	I2C_Delay();
	I2C_SCL=0;
	I2C_Delay();
}
/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_Stop
 ** \param 
 **            	
 ** \return  
 ** \note  
 *****************************************************************************/
void I2C_Stop(void){
	I2C_SDA=0;
	I2C_SCL=1;
	I2C_Delay();
	I2C_SDA=1;
}

/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_ReadAck
 ** \param 
 **            	
 ** \return  
 ** \note  
 *****************************************************************************/
bit I2C_ReadAck()	//主机接收应答
{
	bit ack=0;
	I2C_SDA=1;			//释放总线
	I2C_Delay();
	I2C_SCL=1;
	I2C_Delay();
	ack=I2C_SDA;
	I2C_SCL=0;
	
	return ack;
}
/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_Sendbyte(u8 byte)
 ** \param 	
 **            	
 ** \return  
 ** \note  I2C总线主机发送一个字节数据
 *****************************************************************************/
void I2C_Sendbyte(u8 byte)//主机发送一个字节的数据
{
	u8 i=0;
	I2C_Delay();
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		I2C_SDA=byte&(0x80>>i);
		I2C_Delay();
		I2C_SCL=1;
		I2C_Delay();
		I2C_SCL=0;
	}
}
/*****************************************************************************
 ** \brief	 I2C_Readbyte
 ** \param   
 **            	
 ** \return  
 ** \note  I2C总线主机接收一个字节数据
 *****************************************************************************/
u8 I2C_Readbyte()//主机接收一个字节数据
{
	u8 i;
	u8 byte=0;
	I2C_SDA = 1;//释放总线
	
	P4TRIS &= ~(0x20);//设置为输入模式
	
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		I2C_SCL = 1;
		I2C_Delay();
		byte <<= 1;
		//读取I2C_SDA上的数据
		if(I2C_SDA){
			byte++;
		}
		I2C_SCL=0;
		I2C_Delay();
	}
	
	P4TRIS |= 0x20; //改回输出模式
	P4OD |= 0x20;   //改为开漏输出
	
	return byte;
}
/*****************************************************************************
 ** \brief	 MMA8451Q_write_byte
 ** \param   addr地址 byte数据
 **            	
 ** \return  
 ** \note  写入一个字节数据
 *****************************************************************************/
void MMA8451Q_write_byte(u8 addr, u8 byte)
{
	bit ack=0;
	I2C_Start();
	I2C_Sendbyte(MMA8451Q_WRITE);
	ack=I2C_ReadAck();
	I2C_Sendbyte(addr);
	ack=I2C_ReadAck();
	I2C_Sendbyte(byte);
	ack=I2C_ReadAck();
	I2C_Stop();
}

/*****************************************************************************
 ** \brief	 MMA8451Q_read_byte
 ** \param   addr地址 byte数据
 **            	
 ** \return  
 ** \note  读取一个字节数据
 *****************************************************************************/
u8 MMA8451Q_read_byte(u8 addr)
{
	u8 byte=0;
	bit ack=0;	
	u8 i=0;
	I2C_Start();
	I2C_Sendbyte(MMA8451Q_WRITE);
	ack = I2C_ReadAck();
	I2C_Sendbyte(addr);
	ack = I2C_ReadAck();
	I2C_Delay();
	I2C_Start();
	I2C_Sendbyte(MMA8451Q_READ);
	ack=I2C_ReadAck();
	byte=I2C_Readbyte();
	I2C_Stop();
	return byte;
}

写完后可以读取传感器中的只读寄存器进行测试。比如WHO_AM_I寄存器，其他传感器要自行查询芯片手册。