I2C通信时序图解析

一、I2C协议简介

  I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地 使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。 
  关于I2C协议的更多内容，可阅读《I2C总线协议》，本博文主要分析I2C波形图，对于I2C的基础知识不在做介绍。

二、I2C协议标准代码

2.1 起始信号&停止信号

  起始信号：当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换。 
  停止信号：当 SCL 线是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换。

2.1.1 起始信号代码

void I2C_Start(void)
{
    I2C_SDA_High();     //SDA=1
    I2C_SCL_High();     //SCL=1
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_Low();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low();
    I2C_Delay();
}

2.1.2 停止信号代码

void I2C_Stop(void)
{
    I2C_SDA_Low();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_High();
    I2C_Delay();
}

2.2 发送一个字节

  CPU向I2C总线设备发送一个字节（8bit）数据

u8 I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
    uint8_t i;

    /* 先发送高位字节 */
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        if(Byte & 0x80)
        {
            I2C_SDA_High();
        }
        else
        {
            I2C_SDA_Low();
        }
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_High();
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_Low();
        I2C_Delay();

        if(i == 7)
        {
            I2C_SDA_High();                     /* 释放SDA总线 */
        }
        Byte <<= 1;                             /* 左移一位  */

        I2C_Delay();
    }
}　

2.3 读取一个字节

  CPU从I2C总线设备上读取一个字节（8bit数据）

u8 I2C_ReadByte(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t value;

    /* 先读取最高位即bit7 */
    value = 0;
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        value <<= 1;
        I2C_SCL_High();
        I2C_Delay();
        if(I2C_SDA_READ())
        {
            value++;
        }
        I2C_SCL_Low();
        I2C_Delay();
    }

    return value;
} 

2.4 应答

2.4.1 CPU产生一个ACK信号

void I2C_Ack(void)
{
    I2C_SDA_Low();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low();
    I2C_Delay();

    I2C_SDA_High();
} 

2.4.2 CPU产生一个非ACK信号

void I2C_NoAck(void)
{
    I2C_SDA_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low();
    I2C_Delay();
}  

2.4.3 CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号

uint8_t I2C_WaitToAck(void)
{
    uint8_t redata;

    I2C_SDA_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();

    if(I2C_SDA_READ())
    {
        redata = 1;
    }
    else
    {
        redata = 0;
    }
    I2C_SCL_Low();
    I2C_Delay();

    return redata;
}  　

三、I2C通信时序图解析

  有了上边的I2C总线标准代码的基础，下面我们进入本博文所要讲解的内容，怎么分析I2C的时序图，以O2Micro的OZ9350为例，OZ9350是一款模拟前端（AFE）的IC器件。是一款性价比不错的电源管理芯片，由于其通讯是通过I2C来进行通讯的，所以这里用OZ9350的I2C通讯做例子进行讲解。

3.1 写数据

  首先我们先来看一下写数据的时序图，如下图所示： 
  将上图中的写数据时序图进行分解，经分解后如下图所示： 

  结合I2C总线协议的知识，我们可以知道OZ9350的I2C写数据由一下10个步骤组成。 
  第一步，发送一个起始信号。 
  第二步，发送7bit从机地址，即OZ9350的地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。 
  第三步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。 
  第四步，发送寄存器地址，8bit数据。 
  第五步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。 
  第六步，发送一个数据，8bit数据。 
  第七步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答信号。 
  第八步，发送一个CRC校验码，此CRC校验值为2、4、6步数据产生的校验码。 
  第九步，既可以发送一个应答信号，也可以发送一个无应答信号，均有从机器件产生。 
  第十步，发送一个停止信号。 
  接下来，按照以上是个步骤，可以写出OZ9350的i2c写数据的函数。代码如下：

u8 I2C_WriteBytes(void)
{
    I2C_Start();                    //1

    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
    I2C_WaitToAck();                //3

    I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
    I2C_WaitToAck();                //5

    I2C_SendByte(data);             //6
    I2C_WaitToAck();                //7

    I2C_SendByte(crc);              //8
    I2C_WaitToAck();                //9

    I2C_Stop();                     //10
}       

3.2 读数据

  读数据的时序图如下图所示： 

  读数据的时序图经分解后如下图所示： 

  通过分解后的时序图，可以看到OZ9350的读数据由以下13个步骤组成。 
  第一步，发送一个起始信号。 
  第二步，发送7bit从机地址，即OZ9350的地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。 
  第三步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。 
  第四步，发送寄存器地址。 
  第五步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。 
  第六步，再次发送一个骑士信号。 
  第七步，发送7bit从机地址，即OZ9350的地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。 
  第八步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。 
  第九步，读取一个字节(8bit)的数据。 
  第十步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为CPU产生。 
  第十一步，读取一个CRC校验码。 
  第十二步，产生一个NACK信号。此无应答信号由CPU产生。 
  第十三步，产生一个停止信号。 
  接下来，由以上分析步骤，可以写出OZ9350的I2C读数据代码。如下所示：

u8 I2C_ReadBytes(void)
{
    u8 data;
    u8 crc;

    I2C_Start();                    //1

    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
    I2C_WaitToAck();                //3

    I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
    I2C_WaitToAck();                //5

    I2C_Start();                   //6

    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 1);  //7 1-读
    I2C_WaitToAck();                //8

    data=I2C_ReadByte();            //9

    I2C_Ack();                      //10

    crc=I2C_ReadByte();             //11

    I2C_NoAck();                    //12

    I2C_Stop();                     //13
}  

四、结语

  关于怎样分析I2C通信的时序图，在理解原理的基础上还需要自己多动手练习，只有这样才能熟练掌握。如果在博文中出现错误之处，还望指正。