单片机模拟I²C通信详解

1. I²C 总线理论基础

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种由飞利浦（现 NXP）开发的 同步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中的外设互联。其核心特点包括 双线通信（SCL、SDA）、多主多从架构 以及 基于时钟同步的半双工数据传输。与 SPI 相比，I²C 仅需两根信号线，适用于对功耗和 PCB 资源要求较高的应用。

1.1 I²C 的工作原理

I²C 采用 主-从结构，由主设备控制通信时序，并通过 时钟信号（SCL） 进行数据同步。I²C 设备之间使用 唯一地址 进行寻址，通信过程中数据通过 串行数据线（SDA） 进行传输。I²C 主要由以下几部分组成：

主机（Master）：负责产生时钟信号、发送控制命令，并与从机进行数据交换。

从机（Slave）：响应主机命令，并按照协议返回数据。

SCL（串行时钟线）：用于同步数据传输，由主机控制。

SDA（串行数据线）：双向数据传输线，采用 开漏驱动 方式，并需要外部 上拉电阻 维持信号完整性。

IIC使用两根信号线进行通信：一根时钟线SCL，一根数据线SDA。IIC将SCL处于高时SDA拉低的动作作为开始信号，SCL处于高时SDA拉高的动作作为结束信号；传输数据时，SDA在SCL低电平时改变数据，在SCL高电平时保持数据，每个SCL脉冲的高电平传递1位数据。

1.2 线与（Wired-AND）

I²C 总线使用 开漏驱动（Open-Drain） 方式，即设备只能拉低 SDA 线，而不能主动拉高。因此，I²C 采用 线与（Wired-AND） 逻辑来进行数据传输：

当所有设备都释放 SDA（即输出高阻态），上拉电阻将 SDA 拉高，表示逻辑 1。

当任意设备拉低 SDA，整条总线都会变成低电平，表示逻辑 0。

这种 线与特性 允许多个设备共享 SDA 线，同时避免了驱动冲突，提高了总线的可靠性。

2. I²C 总线通信机制

2.1 总线特性

寻址机制

I²C 设备地址分为 7-bit（128 设备）和 10-bit（1024 设备）。

采用地址帧标识从机，主机通过 发送地址+读/写标志位 选择通信对象。

数据有效性

在 SCL 高电平 时，SDA 必须稳定，数据有效。

在 SCL 低电平 时，SDA 可发生变化。

数据传输速率

标准模式（100kbps）

快速模式（400kbps）

高速模式（3.4Mbps）

2.2 总线仲裁机制

由于 I²C 允许 多主设备 连接在同一条总线上，因此可能会出现 多个主机同时发起通信 的情况。为避免冲突，I²C 采用 仲裁机制（Arbitration）：

所有主机同时监听 SDA 线状态。
如果某个主机输出“1”，但检测到 SDA 变为“0”，说明有其他主机正在主导通信，此时该主机必须 停止发送，让出总线。
最终胜出的主机继续传输，其他主机等待下一次通信机会。

仲裁机制保证了 I²C 总线的稳定性，避免了多个主机同时驱动 SDA 线导致的冲突。

3. 单片机软件 I²C 实现

由于 51 单片机（如 STC89C52）缺乏硬件 I²C 模块，因此需采用 GPIO 模拟 I²C。下面是基于单片机的 I²C 驱动实现。

开始信号（START/S）

SCL为高时，SDA从高到低的跳变产生开始信号

结束信号（STOP/P）

SCL为高时，SDA从低到高的跳变产生结束信号

重复开始信号

重复开始信号（ReSTART/Sr）： 在结束时不给出STOP信号，而以一个时钟周期内再次给出开始信号作为替代

#include <reg52.h>
#define SDA P2_1   // 数据线
#define SCL P2_0   // 时钟线

void IIC_Delay() {
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 10; i++);
}

void IIC_Start() {
    SDA = 1; SCL = 1;
    IIC_Delay();
    SDA = 0;
    IIC_Delay();
    SCL = 0;
}

void IIC_Stop() {
    SDA = 0; SCL = 1;
    IIC_Delay();
    SDA = 1;
}

写数据操作

写字节操作的流程如下：

void IIC_WriteByte(unsigned char data) {
{
    unsigned char i,temp;
    temp = data;
    for(i=0;i<8;i++)
	{
        SCL = 0;
        IIC_Delay();
        if(temp&0x80)    
            SDA=1;
        else 
			SDA=0;
		IIC_Delay();
		temp = temp<<1;
		SCL = 1;
    }
    SCL = 0;
    IIC_Delay();
}

读字节操作

IIC 的数据读取动作都在 SCL为高 时产生，SCL为低时是数据改变的时期，无论SDA如何变化都不影响读取。所以，传输数据的过程中，当SCL为高时，数据应当保持稳定，避免数据的采集出错。

unsigned char IIC_ReadByte(bit ack) {
    unsigned char i, receivedData = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        receivedData <<= 1;  // 左移一位
        SCL = 1;  // 时钟拉高
        IIC_Delay();
        if(SDA)  // 读取 SDA 线上的数据
            receivedData |= 0x01;
        SCL = 0;  // 时钟拉低
        IIC_Delay();
    }
    // 发送ACK或NACK
    if(ack) {
        SDA = 0;  // 发送 ACK
    } else {
        SDA = 1;  // 发送 NACK
    }
    IIC_Delay();
    SCL = 1;  // 时钟拉高
    IIC_Delay();
    SCL = 0;  // 时钟拉低
    return receivedData;
}

应答与非应答机制

在 I²C 协议中，每当传输完一个字节后，接收方（无论是主机还是从机）都需要发送一个应答信号（ACK）或非应答信号（NACK）。这些信号由接收端通过控制 SDA 线的状态来生成：

ACK（应答）：接收方通过拉低 SDA 线来表示它已经成功接收到一个字节的数据。通常在每个数据字节传输完毕后，接收方都会发出 ACK 信号，告知发送方继续传输下一个字节。

NACK（非应答）：接收方通过保持 SDA 线为高电平来表示它已经成功接收到字节，但不希望再接收更多数据。通常在数据传输结束时，接收方会在最后一个字节后发送 NACK 信号，表明此次通信结束。

void IIC_SendAck(bit ack) {
    // 如果是发送 ACK（拉低 SDA）
    if(ack) {
        SDA = 0;  // 发送 ACK
    } else {
        SDA = 1;  // 发送 NACK
    }
    IIC_Delay();
    SCL = 1;  // 时钟拉高
    IIC_Delay();
    SCL = 0;  // 时钟拉低
}

写字节时等待应答

在写字节时，主设备在发送完每个字节后，需要调用 IIC_WaitAck() 来等待从机的应答信号。如果从机返回 ACK，则继续写入下一个字节。如果返回 NACK，则表示通信有误，主设备应该处理错误或停止通信。

unsigned char wait_ack() {
    unsigned char wait_time = 0;
    SCL = 1;
    IIC_Delay();
    while(SDA) {
        wait_time++;
        if(wait_time > 200) {
            stop();
            return 1;
        }
    }
    SCL = 0;
	IIC_Delay();
    return 0;
}

4.I²C 总线总结

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛应用于嵌入式系统中的同步串行通信协议。它的核心特点是使用两根信号线（SCL 和 SDA）进行数据传输，通过主设备控制通信时序，支持多主多从的架构。与 SPI 协议相比，I²C 不需要多条信号线，适用于对功耗和 PCB 资源要求较高的应用。

I²C 的工作原理基于主设备控制时序，通过时钟信号（SCL）同步数据传输。通信时，主设备和从设备通过唯一的地址进行识别，且使用开漏驱动方式进行信号传输。开漏驱动方式通过线与（Wired-AND）特性实现数据共享，避免了驱动冲突，增强了总线的可靠性。

I²C 总线采用了仲裁机制，确保在多主设备同时发起通信时不会发生冲突。当总线上的多个主设备尝试发送数据时，I²C 通过比对数据位来决定哪个主设备继续控制总线，从而避免通信冲突。

在实际的嵌入式系统中，由于一些单片机（如 51 单片机）没有硬件 I²C 模块，我们可以通过模拟 I²C 协议实现通信。这通常需要通过 GPIO 控制时钟线（SCL）和数据线（SDA）来实现数据的发送与接收。在软件模拟 I²C 中，写字节和读字节操作是基础，主设备在每次发送数据后等待从设备的应答信号（ACK/NACK），并根据从设备的反馈决定是否继续通信。

在 I²C 软件实现中，最常见的操作是写字节和读字节，其中写字节操作需要发送完一个字节后等待从设备的应答，而读字节操作则根据是否发送 ACK 或 NACK 来控制通信的继续或停止。为了提高通信的稳定性和可靠性，我们可以在实现时增加延时和错误检测机制，避免由于时序问题导致的数据丢失或冲突。

总的来说，I²C 是一种低成本、高效的通信协议，适合用于嵌入式系统中多个外设的互联。尽管其通信速度相对较慢，但其简单的硬件要求和易于实现的软件支持，使得 I²C 在许多应用场景中都得到了广泛的应用。通过模拟实现 I²C 协议，可以让我们在没有硬件支持的情况下也能轻松实现设备间的通信。

下一篇将根据IIC，读取BMP180的数据，温度，大气压；

作者：黑旋风_李kui

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