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21.[STM32]I2C协议弄不懂，深挖时序图带你编写底层驱动

2022-07-05 15:18:00 【依点_DW】

作者简介：大家好啊，我叫DW，每天分享一些我新学到的知识，期待和大家一起进步

系列专栏：STM32
开发板：STM32F103
如有写得不好的地方欢迎大家指正
创作时间：2022年7月3日

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 为集成电路总线，该总线由NXP公司设计，多用于主控制器和从器件间的主从通信。IIC和SPI接口严格的说他们都是人们所定义的软硬结合体，分为物理层和协议层。

SDA(Serial data)是数据线，它是用来传输数据的。
SCL(Serial clock line)是时钟线，它是控制数据发送的时序的。

I2C最重要的三个点为：

1.起始与结束条件

2.应答和非应答

3.数据的有效性

下面，我将一一介绍如何使用这三个重要的知识点，由于涉及到SDA的输出和输入模式选择，故先配置它的输出和输入两种模式。

//模式配置 out input
void I2C_Mode(u8 addr){

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	if(addr){  //out
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA;//PB0 
		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//输出速率
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
	}
	else{  //Input
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SCL;//PB1
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//推挽输出
	}
		GPIO_Init(I2C_PROT,&GPIO_InitStructure);//初始化引脚
}

1：输出模式
0 ：输入模式

起始和结束条件

1.当SCL为高电平的时候，SDA线上由高到低的跳变被定义为起始条件。

2.当SCL为高电平的时候，SDA线上由低到高的跳变被定义为停止条件。

起始条件

由时序图可以知道，SCL和SDA在默认状态下都为高电平，同时需要延迟4.7us以上，我给它5us的延迟，之后把SDA拉低，再延迟5us，同时把SCL拉低，那么就完成了起始条件时序代码的编写。

这里要注意，SDA选择输出模式

//起始
void I2C_Start(void){

	I2C_Mode(Out);
	SCL_High;
	SDA_High;
	delay_us(5);
	SDA_Low;
	delay_us(5);
	SCL_Low;
}

结束条件

由时序图可以知道，SCL默认状态下为高电平，SDA默认状态下为低电平，同时需要延迟4.7us以上，我给它5us的延迟，把SDA拉高，再延迟5us，那么就完成了结束条件时序代码的编写。

这里要注意，SDA选择输出模式
向SDA总线写：输出模式
向SDA总线读：输入模式

//结束
void I2C_Stop(void){

	I2C_Mode(Out);
	SDA_Low;
	delay_us(5);
	SCL_High;
	delay_us(5);
	SDA_High;
}

应答与非应答

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，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答。

由时序图可以知道，不管是应答状态下，还是非应答状态下，SCL都为高电平，那么先把SCL拉高，之后延时4us，再判断SDA的状态；

定义一个Time变量，如果一直不应答，既读取到SDA数据位为1，就发送一个停止信号，表示器件不存在，防止程序停止卡死在这个位置，之后返回一个非应答信号1；

如果读取到SDA数据位为0，表示应答，那么再把SCL拉低，延时4us，最后返回0，就完成了一次应答的操作。

//应答非应答判断
u8 I2C_Write_Ack(void){

	u8 Time;
	I2C_Mode(Input);
	SCL_High;
	delay_us(4);
	
		
		while(GPIO_ReadInputDataBit(I2C_PROT,SDA)){
		
			if(++Time>250){
			
				I2C_Stop();
				return 1;//1 非应答
			}
		}
		SDA_Low;//0 应答
		delay_us(4);
	
	
	return 0;
}

数据的有效性

在写数据时，当SCL为低电平时，允许数据发生变化，此时可以写数据。那么，该如何操作呢？首先需要把SCL拉低，然后保持4us；再选择输出模式，之后从高位开始一个bit一个bit写数据。

注意：I2C从高位开始写数据。

//写字节
void I2C_Write_Byte(u8 data){

	SCL_Low;
	delay_us(4);
	for(u8 i=0;i<8;i++){
		
		I2C_Mode(Out);
		
		if((data<<i)&0x80) SDA_High;
		else
		SDA_Low;
		
		SCL_High;
		delay_us(4);
		SCL_Low;
		delay_us(4);
	}
}

在读数据时，选择输入模式，我们需要将SCL总线拉高，因为此时数据是稳定有效的，之后读取SDA的数据，如果SDA为高电平，data或上0x01，读完数据后，将SCL拉低，最后返回data。

data<<=1;//从低位开始读数据，不断左移，低位将变成高位。

//读数据
u8 I2C_Read_Data(void){
	
	u8 data;
	
	for(u8 i=0;i<8;i++){
	
		I2C_Mode(Input);
		SCL_High;
		delay_us(4);
		data<<=1;
		
		if(GPIO_ReadInputDataBit(I2C_PROT,SDA) == SET){
		
			data |= 0x01;
		}
		SCL_Low;
		delay_us(4);
	}
	return data;
}

自此，三个部分的代码全部编写完毕，我们了解了这三张时序的原理和使用方法之后，接下来将告诉大家如何在这个基础上驱动具有I2C接口的OLED。

OLED简介

1.工作电压： 3.3V/5V
2.通信接口： 3-wire SPI, 4-wire SPI, I2C
3.屏幕类型： OLED
4.控制芯片： SSD1306
5.分辨率： 128*64(Pixel)
6.外形尺寸： 128*64(Pixel)
7.显示颜色: 黄蓝(双色块屏)
8.工作温度: -20°C ~ 70°C
9.存储温度: -30°C ~ 80°C
10.视角: >160

注意事项：
OLED 显示屏不同于 LCD，OLED 上电是没有反应的，需要程序驱动才会有显示！

接线方式：

SDA --- PC0

SCL --- PC1

VCC --- 5V

GND --- 地

OLED通讯地址和寄存器地址

所有的I2C器件都会有硬件地址，即芯片的地址，由手册可以知道，b7~b2为固定不变的，b1（SA0）一般选择0，bo(R/W)用于确定I2C总接口的操作模式，R/w # = 1，它处于读模式。R/w # = 0，它处于写模式。一般只向OLED写数据，因此其地址为：0111 1000（0x78） ，故我们定义的OLED器件地址为

#define OLED 0X78

0x78：写器件地址

总线时序图

由总线时序图可以知道，要想进行发数据或者命令的流程如下：

依据上述步骤，我们编写的代码如下：

void OLED_Write_Cmd_Data(u8 cmd,u8 data){
	
	I2C_Start();
	I2C_Write_Byte(OLED);
	I2C_Write_Ack();
	
	
	if(!cmd){
	I2C_Write_Byte(0X00);
	I2C_Write_Ack();
	I2C_Write_Byte(data);
	}
	else{
	I2C_Write_Byte(0X40);
	I2C_Write_Ack();
	I2C_Write_Byte(data);
	}
	I2C_Write_Ack();
	I2C_Stop();
}