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一、概述
1.背景
I2C(IIC,Inter－Integrated Circuit)总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。一种串行、半双工总线，主要用于近距离、低速芯片之间的通信。IIC总线有两根双向信号线，一根数据线SDA用于收发数据，一根时钟线SCL（SCK）用于通信双方时钟的同步；IIC总线硬件结构简单，成本较低，应用广泛。
主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。
I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。因为I2C芯片（如mpu6050、ft5x06等）除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。
2.传输方向
在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。
如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送。
如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，主机负责产生定时时钟和终止数据传送。
3.速度
连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。
总线具有极低的电流消耗．抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。
4.地址
I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(地址通过物理接地或者拉高，可以从I2C器件的数据手册得知，如AT24C02芯片，7位地址依次1010xxx, 最低三位可配，如果全部物理接地，则该设备地址为0x50)，主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把STM32作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。
二、IIC通信过程
空闲时SCL和SDA为高电平，发数据时SCL低电平，收数据SCL高电平
1.I2C通信过程中，存在4种信号
1.起始信号（条件）:表示双方做好通信准备
2.主机发送1字节数据，指明从机地址和后续字节的传送方向
3.应答信号：有应答信号和无应答信号。有应答信号SDA为低电平，无应答信号为高电平
4.停止信号（条件）:告诉从机通信结束，释放总线
2.起始信号和停止信号
起始信号：当SCL为高电平，SDA从高电平变为低电平
终止信号：当SCL为高电平，SDA从低电平变为高电平
3.同步信号
时钟线SCL为低电平时发送器向数据线SDA上发送一位数据，此期间信号允许发送变化
时钟线SCL为高电平时接收器从数据线SDA上读取一位数据，此期间信号不允许发送变化，必须保持稳定
SCL时钟线作用：告诉发送器和接收器对数据收发的时机
4.数据收传输与应答
先传输最高位，后传输低位，发送完1字节后接收器必须发送1位应答位来回应发送器，所以一帧共有9位
总结：
IIC协议整个通信流程 = 起始信号 + 1字节（从机地址（确定目标7bit）和传输方向（0/1））+ 应答信号(有(SDA 0)/无(SDA 1) + 数据传输（发送/接收） + 停止信号
三、典型I2C时序
A表示应答,A非表示非应答，S表示起始信号，P表示终止信号
主机向从机发送数据：
数据发送过程：主机发送启动信号，主机发送1字节数据后确定数据传输方向，从机应答，主机再发送数据，从机应答；
数据停止传输过程的两种过程：一是主机发送数据后从机应答，主机主动发送停止信号；二是主机发送数据后从机不应答，主机再发送停止信号
从机向主机发送数据：
数据发送过程：主机发送启动信号，主机发送1字节数据后确定数据传输方向，从机应答，从机再发送数据，主机应答；
数据停止传输过程：从机向主机发送数据，主机不应答，主机再发送停止信号
主机先向从机发送数据，然后从机再向主机发送数据
发送过程：
主机发送启动信号，主机发送1字节数据后确定数据传输方向，从机应答，主机再发送数据，从机应答，从机数据接收完后，主机再发送启动信号（防止总线被抢占），主机发送1字节数据后确定数据传输方向，从机应答，从机发送数据，主机应答；
数据停止传输过程：从机向主机发送数据，主机不应答，主机再发送停止信号
主机向从机发送数据：
从机向主机发送数据：
四、应用领域
摄像头控制、触摸屏、无人机、计步器(加速度/角速度/陀螺仪传感器)、心率（心率传感器）、激光测距、FM收音机（FM调频收音模块）
五、EEPROM(AT24C02)test
1.特点
总容量256 (2k/8)个字节
接口：I2C
2.地址
A0-A2接地 000
1字节：写0xA0、读0xA1
3.读写时序图
向目标地址写入数据
DEVICE ADDRESS = 0xA0
WORD ADDRESS 写入EEPROM的地址（0~255）
DATA 写入数据
先发送要读的地址，再接收数据
4.test
int mian(void)
{
USART1_init(115200);
printf("hello world\r\n");
AT24C02_Init();
if(!AT24C02_Check())
printf("check success!\r\n");
AT24C02_WriteOneByte(0,0xFF);
uint8_t rd_data = AT24C02_ReadOneByte(0);
printf("read data = %x\r\n",rd_data);
}
//IO方向设置
#define SDA_IN() {GPIOB->MODER &= ~(3<<(9*2)); GPIOB->MODER |= 0<<(9*2);} //PB9输入模式
#define SDA_OUT() {GPIOB->MODER &= ~(3<<(9*2)); GPIOB->MODER |= 1<<(9*2);} //PB9输出模式
//IO操作函数
#define IIC_SCL PBout(8) //SCL
#define IIC_SDA PBout(9) //SDA
#define READ_SDA PBin(9) //输入SDA
void delay_ms(uint32_t n)
{
while(n--)
{
SysTick->CTRL = 0; // 关闭系统定时器
SysTick->LOAD = 168000-1; // 配置计数值（168000-1） ~ 0
SysTick->VAL = 0; // 清除当前值和计数标志
SysTick->CTRL = 5; // 使用处理器时钟启用SysTick定时器
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 等待直到设置计数标志
}
SysTick->CTRL = 0; // 关闭系统定时器
}
void delay_us(uint32_t n)
{
while(n--)
{
SysTick->CTRL = 0; // 关闭系统定时器
SysTick->LOAD = 168-1; // 配置计数值（168000-1） ~ 0
SysTick->VAL = 0; // 清除当前值和计数标志
SysTick->CTRL = 5; // 使用处理器时钟启用SysTick定时器
while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 等待直到设置计数标志
}
SysTick->CTRL = 0; // 关闭系统定时器
}
//IIC初始化
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// GPIOB时钟使能
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);
//GPIOB8,B9初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //高速
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
//空闲时SDA SCL初始化为高电平
IIC_SCL = 1;
IIC_SDA = 1;
}
//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //SDA输出模式
//空闲时SDA SCL初始化为高电平
IIC_SCL = 1;
IIC_SDA = 1;
delay_us(4);
//起始信号：SCL为高电平，SDA从高电平变为低电平
IIC_SDA = 0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(4);
//SCL低电平时，发送器发送数据
IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT(); //SDA输出模式
IIC_SCL = 0;
//终止信号:SCL高电平，SDC从低电平变为高电平
IIC_SDA = 0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(4);
IIC_SCL = 1;
IIC_SDA = 1;
delay_us(4);
}
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
//时钟线低电平时，数据线低电平
IIC_SCL=0; //低电平，发送器发送
SDA_OUT(); //SDA输出模式
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1; //高电平，接收机接收
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//产生ACK非应答
void IIC_NAck(void)
{
//时钟线低电平时，数据线高电平
IIC_SCL=0; //低电平，发送器发送
SDA_OUT(); //SDA输出模式
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1; //高电平，接收机接收
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
uint8_t ucErrTime;
SDA_IN(); //SDA输入模式
while(READ_SDA) //等待应答 0应答 1非应答
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>200)//等待应答
{
IIC_Stop();//停止信号
return 1;
break;
}
}
IIC_SCL = 0;//下一阶段 继续发送
return 0;
}
//IIC发送一个字节
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd)
{
int tmp;
IIC_SCL = 0;//低电平，发送器发送
SDA_OUT();
for(tmp = 7;tmp>=0;tmp--)
{
if(txd & (1<<tmp))//从最位开始发数据
IIC_SDA = 1;
else
IIC_SDA = 0;
delay_us(2);
IIC_SCL = 1;//高电平，接收器接收
delay_us(2);
IIC_SCL = 0;
delay_us(2);
}
}
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack)
{
int i;
uint8_t receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=7;i>=0;i--)
{
IIC_SCL = 0;
delay_us(2);
IIC_SCL = 1;
if(IIC_SDA)
receive |= (1<<i);
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}
//初始化IIC接口
void AT24C02_Init(void)
{
IIC_Init();//IIC初始化
}
//在AT24C02指定地址写入一个数据
//WriteAddr :写入数据的目的地址 0~255
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24C02_WriteOneByte(uint16_t WriteAddr,uint8_t DataToWrite)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送器件地址0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr%256); //发送要写入的地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite); //发送字节
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();//产生一个停止条件
delay_ms(5);
}
//在AT24C02指定地址读出一个数据
//ReadAddr :开始读数的地址 0~255
//返回值 :读到的数据
uint8_t AT24C02_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr)
{
uint8_t temp=0;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送器件地址0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr%256); //发送要读取的地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA1); //进入接收模式
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();//产生一个停止条件
return temp;
}
//检查AT24C02是否正常
//这里用了2402的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他24C系列,这个地址要修改
//返回1:检测失败
//返回0:检测成功
uint8_t AT24C02_Check(void)
{
uint8_t temp;
temp=AT24C02_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX
if(temp==0XFF)return 0;
else//排除第一次初始化的情况
{
AT24C02_WriteOneByte(255,0XFF);
temp=AT24C02_ReadOneByte(255);
if(temp==0X55)return 0;
}
return 1;
}