两个Arduino之间I2C通信仿真

1、I2C介绍

集成电路间 (I2C) 协议是一种旨在允许多个“外围”数字集成电路（“芯片”）与一个或多个“控制器”芯片进行通信的协议。它只需要两根信号线来交换信息。

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SDA（串行数据）:主机和从机发送和接收数据的线路。
SCL（串行时钟）:传输时钟信号的线路。

与 SPI 一样，I2C 是同步的，因此位的输出通过主机和从机之间共享的时钟信号与位的采样同步。时钟信号始终由主机控制。

2、I2C的数据组成

使用 I2C，数据以消息的形式传输。消息被分解成数据帧。每条消息都有一个地址帧，其中包含从站的二进制地址，以及一个或多个包含正在传输的数据的数据帧。该消息还包括每个数据帧之间的开始和停止条件、读/写位和 ACK/NACK 位：

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启动条件：在 SCL 线从高电平切换到低电平之前，SDA 线从高电压电平切换到低电压电平。
停止条件：SCL 线从低电平切换到高电平后，SDA 线从低电平切换到高电平。
地址帧：每个从站唯一的 7 或 10 位序列，用于在主站想要与其通话时识别从站。
读/写位：单个位指定主机是向从机发送数据（低电压电平）还是从它请求数据（高电压电平）。
ACK/NACK 位：消息中的每个帧后跟一个确认/不确认位。如果成功接收到地址帧或数据帧，则从接收设备向发送方返回一个 ACK 位。

2）I2C寻址

I2C 没有像 SPI 那样的从机选择线，因此它需要另一种方式让从机知道正在向它发送数据，而不是另一个从机。它通过寻址来做到这一点。地址帧始终是新消息中起始位之后的第一帧。

主机将它想要与之通信的从机地址发送给与其相连的每个从机。然后，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，它会向主机发送一个低电压 ACK 位。如果地址不匹配，从机什么也不做，SDA 线保持高电平。

3）读/写位

地址帧的末尾包含一个位，用于通知从机是要向其写入数据还是要从其接收数据。如果主机要向从机发送数据，则读/写位为低电压电平。如果主机向从机请求数据，则该位为高电压电平。

4）数据帧

在主机检测到来自从机的 ACK 位后，第一个数据帧准备好发送。

数据帧总是 8 位长，并以最高有效位在前发送。每个数据帧后面紧跟着一个 ACK/NACK 位，以验证该帧是否已成功接收。在发送下一个数据帧之前，主机或从机必须接收到 ACK 位（取决于谁在发送数据）。

发送完所有数据帧后，主设备可以向从设备发送停止条件以停止传输。停止条件是在 SCL 线上从低到高转换之后 SDA 线上的电压从低到高转换，而 SCL 线保持高电平。

3、I2C通信过程

1）主机通过将 SDA 线从高电平切换到低电平，然后将 SCL 线从高电平切换到低电平，向每个连接的从机发送启动条件。

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2）主机向每个从机发送它想要与之通信的从站的 7 位或 10 位地址以及读/写位：

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3)每个从机将主机发送的地址与自己的地址进行比较。如果地址匹配，从机通过将 SDA 线拉低一位来返回 ACK 位。如果来自主机的地址与从机自己的地址不匹配，则从机将 SDA 线保持为高电平。

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4）主机发送或接收数据帧：

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5）传输完每个数据帧后，接收设备向发送方返回另一个 ACK 位以确认已成功接收该帧：

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6）为了停止数据传输，主机通过在将 SDA 切换为高电平之前将 SCL 切换为高电平来向从机发送停止条件：

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4、I2C连接模式

1）单主机多从机模式

由于 I2C 使用寻址，因此可以从单个主机控制多个从机。对于 7 位地址，可以使用 128 (2^7) 个唯一地址。使用 10 位地址并不常见，但可提供 1,024 (2^10) 个唯一地址。要将多个从设备连接到单个主设备，请按如下方式连接它们，使用 4.7K 欧姆上拉电阻将 SDA 和 SCL 线连接到 Vcc：

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2）多主机多从机模式

多个主机可以连接到一个从机或多个从机。当两个主设备尝试通过 SDA 线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，每个主设备在发送消息之前都需要检测 SDA 线是低还是高。如果 SDA 线为低电平，则意味着另一个主机控制了总线，主机应等待发送消息。如果 SDA 线为高电平，则传输消息是安全的。要将多个主机连接到多个从机，请使用下图，使用 4.7K 欧姆上拉电阻将 SDA 和 SCL 线连接到 Vcc：

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5、仿真电路原理图

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6、仿真代码实现

1）主机代码

#include <Wire.h>

#define SLAVE_ADDRESS 0x12 // 从机地址
#define DATA_SIZE 8 // 数据缓冲大小

#define CMD_LED_OFF 0 // LED关命令
#define CMD_LED_ON 1 // LED开命令

void setup() {
  // 启动为主机模式
  Wire.begin(); 
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // 向从机发送数据
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.write(CMD_LED_OFF);             
  Wire.endTransmission();  
  
  Serial.println("send led off cmd");
  // 向从机请求数据
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.requestFrom(SLAVE_ADDRESS, DATA_SIZE);
  if (Wire.available()) {
    Serial.print("Data returned: ");
    while (Wire.available()) Serial.print((char) Wire.read());
    Serial.println();
  }
  Wire.endTransmission();
  
  delay(500);
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.write(CMD_LED_ON);
  Wire.endTransmission();   
  Serial.println("send led on cmd");
  
  // 向从机发送数据
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.requestFrom(SLAVE_ADDRESS, DATA_SIZE);
  if (Wire.available()) {
    Serial.print("Data returned: ");
    while (Wire.available()) Serial.print((char) Wire.read());
    Serial.println();
  }
  Wire.endTransmission();
  
  delay(500);
}

2）从机代码

#include <Wire.h>
int cmd_dat = 0;
int ledPin = 7; // LED引脚
#define SLAVE_ADDRESS 0x12 // 从机地址
#define CMD_LED_OFF 0 // LED关命令
#define CMD_LED_ON 1 // LED开命令

void setup() {
  // 设置LED引脚为输出
  pinMode (ledPin , OUTPUT);
  // 开始I2C总线，设置为从机模式
  Wire.begin(SLAVE_ADDRESS); 
  // 设置数据接收回调函数
  Wire.onReceive(receiveEvent);
  // 设置数据请求回调函数
  Wire.onRequest(requestEvent);
  // 初始化串口
  Serial.begin(9600);
}
void receiveEvent(int bytes) {
  cmd_dat = Wire.read();    // 读取数据
}

void requestEvent()
{
  switch (cmd_dat) {
    case CMD_LED_OFF:
      Serial.println("request led off");
      Wire.write("led off",SLAVE_ADDRESS);
      break;
    case CMD_LED_ON:
     Wire.write("led on",SLAVE_ADDRESS);
      Serial.println("request led off");
      break;
    default:
      Wire.write("nothing",SLAVE_ADDRESS);
  }
}

void loop() {
  if (cmd_dat == CMD_LED_OFF) {
    Serial.println("led off");
    digitalWrite(ledPin,LOW);
    cmd_dat = -1;
  }
  if (cmd_dat == CMD_LED_ON) {
    Serial.println("led on");
    digitalWrite(ledPin,HIGH);
    cmd_dat = -1;
  }
  
}