串口是傳感器、外設常用的接口，在低速器件中可以通過串口傳輸數據。高速復雜的器件，往往內部存在很多寄存器，這些寄存器的配置一般也是采用串口通信，可以節省IO口。

常用串口大致分為UART、IIC、SPI三種，其中IIC時序稍微復雜，卻是最好用的串行接口。如下圖所示，主機通過兩根數據線，就可以與多個外設通信。

圖1 主機控制多個外設

主機想要通過UART與N個外設雙向通信，一般需要2*N個IO口。主機想要通過SPI與N個外設雙向通信，一般需要使用N+3個IO口。而如果使用IIC接口，那么只需要2個IO口。

因此IIC對于節省IO有較大優勢，劣勢在于UART可以全雙工通信，SPI的時鐘線與數據線分開，傳輸速度最快，且UART和SPI的驅動設計一般比較簡單。而IIC由于只靠兩根線驅動多個傳感器，所以需要確認主機與哪個傳感器建立連接（傳輸器件地址），然后在對器件內部寄存器進行讀寫，導致通信速度不可能很高。

01I2C硬件接口

IIC主機或者從機的硬件接口如下圖所示，使用一個開漏/開集（如果是MOS管則漏極開路，如果是三極管則集電極開路）開路，在同一條線上有一個輸入緩沖區，允許數據線用于雙向傳輸數據。

圖2 IIC硬件接口

三角形代表輸入緩沖器，準確的說該接口只能通過FET輸出低電平，高電平依靠外部上拉電阻完成。

下圖是該接口輸出低電平的信號示意圖，當需要輸出低電平時，FET導通，VBUS下拉與GND連接，此時總線呈現低電平，如圖中紅色部分。

圖3 輸出低電平

當從機或主機希望發送邏輯高電平時，只能通過關閉下拉場效應管來釋放總線。使得總線浮動，上拉電阻將把電壓拉到電壓軌，表現為高電平。

圖4 輸出高電平

02I2C通信

IIC總線是一個標準的雙向接口，除非從機已被主機尋址，否則從機不能傳輸數據。IIC總線上的每個設備都有一個特定的設備地址，以區分同一IIC總線上的其他設備。許多從設備在啟動時需要配置來設置設備的行為，通常是在主機訪問從機的內部寄存器時完成。

物理IIC接口由串行時鐘(SCL)和串行數據(SDA)線組成，SDA和SCL線路都必須通過上拉電阻連接到VCC。只有當總線空閑時才可以開始數據傳輸，如果SDA和SCL線在停止條件后都為高電平，則總線空閑。

先總體看下經典的IIC讀、寫器件寄存器時序，然后在具體分析起始位、停止位、應答、傳輸數據的SCL和SDA波形。

下圖是主機通過IIC寫從機寄存器數據的步驟，首先主機向從機發送起始位，然后發送7位從機器件地址，之后會發送一位讀寫操作信號，從機應答主機（ACK為低電平）后，向從機發送寄存器地址（這個寄存器地址為8位，但是有的器件可能會有16位或者24位寄存器地址，就需要發送三次這種時序）。等待從機應答之后，主機把需要寫入寄存器的數據輸出，等待從機應答后，主機發送停止條件，結束本次通信。注意不管是器件地址還是寄存器地址，亦或者是數據，都是先傳輸高位數據。

圖5 IIC主機向從機寄存器寫入數據

上圖中灰色方塊表示主機發送數據，白色表示從機發送數據。

下圖是主機通過IIC讀取從機寄存器數據的步驟，主機依次向從機發送起始位、器件地址、寄存器地址，等待從機應答之后，在次向從機發送起始信號，然后發送器件地址，此時讀寫位位高電平，表示讀出數據，然后從機就會把該器件該寄存器地址的數據依次輸出，數據接收完成后，主機向從機發送不應答指令（如果發送應答指令，則從機會把下個寄存器地址的數據繼續輸出到總線上，實現連續讀取寄存器數據），然后發送停止位，完成寄存器數據的讀取。

圖6 IIC主機向從機寄存器讀出數據

上圖中灰色方塊表示主機發送數據，白色表示從機發送數據。

在了解了讀寫寄存器的步驟后，在來查看IIC的一些細節時序，由于主機和從機都會在時鐘SCL的高電平采集SDA的狀態，因此在傳輸數據時，SDA在SCL的低電平的時候更新數據，在SCL高電平階段盡量保持不變。

只有兩種情況，SDA會在SCL的高電平期間電平發生變化，即起始位和停止位，時序圖如下所示：

圖7 IIC通信的起始位和停止位時序圖

起始位：SCL為高電平，SDA從高電平變為低電平表示起始位（因為空閑時SDA是高電平，SDA變為低電平代表開始傳輸數據）。

停止位：SCL為高電平時，SDA從低電平變為高電平表示停止位。

重復起始條件（圖6中紅色字體的時序）：時序與起始條件一樣，用于代替連續的停止然后開始條件。當總線未空閑時，主機希望啟動新的通信，但不希望發送停止信號釋放總線，就可以直接發送重復起始條件，開啟信號通信。因為停止條件有可能使主機失去對總線的控制(在多主機環境中)。

如圖8所示，在SCL的每個時鐘脈沖期間傳輸一個數據位，每次傳輸8位數據后需要從機應。8位數據可以是設備地址、寄存器地址，也可以是寫入或讀取從機的數據。

數據首先傳輸最高有效位(MSB)。在START和STOP條件之間，可以將任意字節的數據從主機傳輸到從機。在傳輸數據過程中SDA必須在SCL低電平時更新狀態，在SCL為高電平時SDA線上的數據必須保持穩定，因為當SCL高時，SDA的變化被解釋為控制命令(START或STOP)。

圖8 單字節數據傳輸時序圖

每個字節(包括地址字節)后面都有一個來自接收方的ACK位，ACK位允許接收方與發送方通信，表明該字節已成功接收，并且可以發送下一個字節數據。

在接收方發送ACK之前，發送方必須釋放SDA線。如下圖9所示，為了發送ACK位，接收方需要在ACK/NACK相關時鐘周期(周期9)的低電平期間拉低SDA線，使SDA線在ACK/ NACK相關時鐘周期的高相位穩定在低電平。設置和保持時間必須考慮在內。

圖9 NACK波形

當SDA在與ACK/NACK相關的時鐘周期內保持高位時，則不應答（NACK）。有幾個條件會導致NACK的產生：

從機無法接收或發送，因為它正在執行一些實時功能，還沒有準備好開始與主機通信。

在傳輸過程中，接收方接收到它不理解的數據或命令。

在傳輸過程中，接收方不能再接收任何數據字節。

主機讀取從機寄存器數據后，通過NACK表示終止從機寄存器數據的讀取。

03總結

IIC接口是開漏/開集輸出的硬件接口，只能主動輸出低電平。當需要輸出高電平時，會釋放總線(對外表現高阻態)，被外部上拉電阻上拉到VCC，從而實現高電平，所以上拉電阻必須存在。

SDA在傳輸數據時只能在SCL的低電平期間變化，如果SCL為高電平，SDA從高電平變為低電平，則表示起始位或者重復起始位，SDA從低電平變為高電平則便是停止位。

每當傳輸一字節數據后，接收方需要產生一個應答位（ACK低電平表示應答），之后發送方才能傳輸下一字節數據。

在起始位和停止位之間，可以傳輸任意字節數據，數據可以是器件地址、寄存器地址、寫入或讀取從機的數據。

上述的總結來自于TI的IIC總線手冊，需要該手冊的可以在公眾號后臺回復“I2C手冊”（不包括引號）。

聲明：本文轉載自數字站公眾號