IIC通信协议详解与STM32实战指南

IIC通信协议详解与STM32实战指南

引言

IIC（Inter-Integrated Circuit）是Philips公司开发的串行通信协议，广泛应用于传感器、EEPROM、RTC等低速外设的连接。本文深入解析IIC协议原理，并提供基于STM32的GPIO模拟实现方案，包含完整的代码解析和实战应用示例。

一、IIC协议核心原理

1. 物理层特性

核心优势：

• 仅需两根线即可实现多设备通信
• 内置冲突检测和仲裁机制
• 支持热插拔（需设备具备总线释放功能）

2. 协议层详解

数据帧结构

[Start] + [Device Address + R/W] + [ACK] + [Data] + [ACK] + ... + [Stop]
         └─7位地址─┘ └─0:写 1:读─┘

关键时序节点

1. 起始条件：SCL高电平时，SDA从高→低跳变
2. 停止条件：SCL高电平时，SDA从低→高跳变
3. 数据有效性：SCL高电平期间必须保持SDA稳定
4. 应答机制：每字节传输后接收方必须拉低SDA

二、IIC通信代码实现（详细注释版）

1. GPIO模拟IIC初始化

// IIC引脚定义（以STM32F103 PA6-SCL, PA7-SDA为例）
#define IIC_SCL_PIN    GPIO_Pin_6
#define IIC_SDA_PIN    GPIO_Pin_7
#define IIC_PORT       GPIOA

void IIC_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    
    /* 开启GPIO时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    /* SCL和SDA配置为开漏输出模式 */
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = IIC_SCL_PIN | IIC_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;  // 开漏输出
    /* 为什么用开漏模式？
       允许总线"线与"特性，配合上拉电阻实现电平控制 */
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(IIC_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    /* 拉高总线（空闲状态） */
    IIC_SCL_H();
    IIC_SDA_H();
}

2. 基础信号函数解析

/* 产生IIC起始信号 */
void IIC_Start(void) {
    SDA_OUT();     // 设置SDA为输出模式
    IIC_SDA_H();
    IIC_SCL_H();
    delay_us(5);   // 保持时间>4.7us
    IIC_SDA_L();   // 下降沿触发起始条件
    delay_us(5);
    IIC_SCL_L();   // 钳住总线，准备发送数据
}

/* 产生IIC停止信号 */
void IIC_Stop(void) {
    SDA_OUT();
    IIC_SDA_L();
    IIC_SCL_H();   // 停止条件：SCL高时SDA上升
    delay_us(5);
    IIC_SDA_H();
    delay_us(5);
}

/* 发送一个字节（MSB First）*/
uint8_t IIC_SendByte(uint8_t byte) {
    uint8_t ack;
    SDA_OUT();
    for(int i=0; i<8; i++) {
        IIC_SCL_L();
        delay_us(2);
        (byte & 0x80) ? IIC_SDA_H() : IIC_SDA_L();
        byte <<= 1;
        delay_us(3);
        IIC_SCL_H();      // 上升沿锁存数据
        delay_us(5);
    }
    
    /* 等待从机应答 */
    IIC_SCL_L();
    SDA_IN();       // 切换SDA为输入模式
    delay_us(2);
    IIC_SCL_H();
    ack = IIC_READ_SDA(); // 读取ACK信号（0-应答，1-无应答）
    delay_us(5);
    IIC_SCL_L();
    return ack;
}

/* 接收一个字节（带应答控制） */
uint8_t IIC_RecvByte(uint8_t ack) {
    uint8_t data = 0;
    SDA_IN(); 
    for(int i=0; i<8; i++) {
        IIC_SCL_L();
        delay_us(5);
        IIC_SCL_H();      // 从机在SCL低电平时更新数据
        data <<= 1;
        data |= IIC_READ_SDA();
        delay_us(5);
    }
    /* 发送应答信号 */
    SDA_OUT();
    ack ? IIC_SDA_L() : IIC_SDA_H(); // 0-应答，1-非应答
    delay_us(2);
    IIC_SCL_H();
    delay_us(5);
    IIC_SCL_L();
    return data;
}

3. EEPROM读写示例（AT24C02）

/* 写单字节到EEPROM */
void EEPROM_Write(uint8_t addr, uint8_t data) {
    IIC_Start();
    IIC_SendByte(0xA0);     // 设备地址 + 写操作（0）
    IIC_SendByte(addr);     // 内存地址
    IIC_SendByte(data);     // 写入数据
    IIC_Stop();
    delay_ms(10);           // 等待EEPROM内部写入完成
}

/* 从EEPROM读取单字节 */
uint8_t EEPROM_Read(uint8_t addr) {
    uint8_t data;
    IIC_Start();
    IIC_SendByte(0xA0);     // 设备地址 + 写操作
    IIC_SendByte(addr);     // 设置读地址
    IIC_Start();            // 重复起始条件
    IIC_SendByte(0xA1);     // 设备地址 + 读操作（1）
    data = IIC_RecvByte(0); // 读取数据（发送非应答）
    IIC_Stop();
    return data;
}

关键代码原理说明

1. IIC总线特性

• 开漏输出：必须外接上拉电阻（通常4.7KΩ），避免总线电平冲突
• 地址格式：7位设备地址 + 1位读写方向位（0-写，1-读）

2. 时序控制要点

• 起始条件：SCL高电平时，SDA从高→低跳变
• 停止条件：SCL高电平时，SDA从低→高跳变
• 数据有效性：SCL高电平期间，SDA必须保持稳定
• 应答机制：每字节传输后接收方必须拉低SDA

3. EEPROM操作流程

1. 写操作：

   • 发送设备地址（写模式）
   • 发送内存地址
   • 发送数据
   • 等待内部编程完成（典型5ms）

2. 读操作：

   • 发送设备地址（写模式）→设置内存地址
   • 重复起始条件
   • 发送设备地址（读模式）→读取数据

常见疑问解答

Q1: 为什么设备地址是0xA0？
A1: AT24C02的7位地址为1010000（A0-A2接地），左移后加写操作位（0）得到0xA0。

Q2: 如何调整通信速率？
A2: 修改延时函数参数，标准模式（100kbps）要求SCL高低电平各≥4.7us，快速模式（400kbps）≥0.6us。

Q3: 何时需要加上拉电阻？
A3: 当总线电容较大或设备较多时，建议在SCL和SDA线上加4.7KΩ上拉电阻至3.3V/5V。

Q4: 如何处理多设备冲突？
A4: 每个IIC设备有唯一地址，总线仲裁机制会自动解决冲突，软件需检测ACK信号判断是否成功。

三、进阶开发技巧

1. 错误处理机制

#define IIC_TIMEOUT   1000  // 超时阈值（单位：us）

uint8_t IIC_WaitAck(void) {
    uint32_t time = 0;
    SDA_IN();
    IIC_SCL_H();
    
    while(GPIO_ReadInputDataBit(IIC_PORT, IIC_SDA_PIN)) {
        if(++time > IIC_TIMEOUT) {
            IIC_Stop();
            return 1; // 超时错误
        }
        delay_us(1);
    }
    IIC_SCL_L();
    return 0;
}

2. 总线扫描工具

void IIC_Scanner(void) {
    printf("Scanning IIC devices...\n");
    
    for(uint8_t addr=0x08; addr<0x78; addr++) {
        IIC_Start();
        uint8_t ack = IIC_SendByte(addr << 1);
        IIC_Stop();
        
        if(!ack) {
            printf("Device found at 0x%02X\n", addr);
        }
        delay_ms(10);
    }
}

四、常见问题排查指南

1. 典型故障现象

• 总线锁死：检查SCL/SDA是否被意外拉低，尝试发送虚假时钟
• 地址无响应：确认设备地址是否正确（含地址引脚电平）
• 数据错位：检查时序延时是否符合设备要求

2. 调试建议

1. 用示波器捕获总线波形，验证时序参数
2. 在起始信号后添加LED指示，确认通信触发
3. 逐步提升速率测试（从10kHz开始）
4. 检查上拉电阻值（计算公式：Rp < (Vdd - Vol)/Iol）

结语

IIC协议凭借其简洁的硬件设计和灵活的多设备管理能力，在嵌入式领域占据重要地位。通过GPIO模拟实现，开发者可以深入理解协议细节，但在量产项目中建议使用硬件IIC外设以获得更好的稳定性。实际开发中需特别注意总线负载能力和时序参数的匹配。

延伸学习建议：

• 研究IIC总线仲裁机制
• 探索DMA在高速模式下的应用
• 了解SMBus协议扩展特性