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

 1 void I2C_Start(void)
 2 {
 3     I2C_SDA_High();     //SDA=1
 4     I2C_SCL_High();     //SCL=1
 5     I2C_Delay();
 6     I2C_SDA_Low();
 7     I2C_Delay();
 8     I2C_SCL_Low();
 9     I2C_Delay();
10 }

2.1.2 停止信号代码

1 void I2C_Stop(void)
2 {
3     I2C_SDA_Low();
4     I2C_SCL_High();
5     I2C_Delay();
6     I2C_SDA_High();
7     I2C_Delay();
8 }

2.2 发送一个字节

CPU向I2C总线设备发送一个字节（8bit）数据

 1 u8 I2C_SendByte(uint8_t Byte)
 2 {
 3     uint8_t i;
 4  
 5     /* 先发送高位字节 */
 6     for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
 7     {
 8         if(Byte & 0x80)
 9         {
10             I2C_SDA_High();
11         }
12         else
13         {
14             I2C_SDA_Low();
15         }
16         I2C_Delay();
17         I2C_SCL_High();
18         I2C_Delay();
19         I2C_SCL_Low();
20         I2C_Delay();
21  
22         if(i == 7)
23         {
24             I2C_SDA_High();                     /* 释放SDA总线 */
25         }
26         Byte <<= 1;                             /* 左移一位  */
27  
28         I2C_Delay();
29     }
30 }

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）

 1 u8 I2C_ReadByte(void)
 2 {
 3     uint8_t i;
 4     uint8_t value;
 5  
 6     /* 先读取最高位即bit7 */
 7     value = 0;
 8     for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
 9     {
10         value <<= 1;
11         I2C_SCL_High();
12         I2C_Delay();
13         if(I2C_SDA_READ())
14         {
15             value++;
16         }
17         I2C_SCL_Low();
18         I2C_Delay();
19     }
20  
21     return value;
22 }

2.4 应答

2.4.1 CPU产生一个ACK信号

 1 void I2C_Ack(void)
 2 {
 3     I2C_SDA_Low();
 4     I2C_Delay();
 5     I2C_SCL_High();
 6     I2C_Delay();
 7     I2C_SCL_Low();
 8     I2C_Delay();
 9  
10     I2C_SDA_High();
11 }

2.4.2 CPU产生一个非ACK信号

1 void I2C_NoAck(void)
2 {
3     I2C_SDA_High();
4     I2C_Delay();
5     I2C_SCL_High();
6     I2C_Delay();
7     I2C_SCL_Low();
8     I2C_Delay();
9 }

2.4.3 CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号

 1 uint8_t I2C_WaitToAck(void)
 2 {
 3     uint8_t redata;
 4  
 5     I2C_SDA_High();
 6     I2C_Delay();
 7     I2C_SCL_High();
 8     I2C_Delay();
 9  
10     if(I2C_SDA_READ())
11     {
12         redata = 1;
13     }
14     else
15     {
16         redata = 0;
17     }
18     I2C_SCL_Low();
19     I2C_Delay();
20  
21     return redata;
22 }

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：

 1 u8 I2C_WriteBytes(void)
 2 {
 3     I2C_Start();                    //1
 4  
 5     I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
 6     I2C_WaitToAck();                //3
 7  
 8     I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
 9     I2C_WaitToAck();                //5
10  
11     I2C_SendByte(data);             //6
12     I2C_WaitToAck();                //7
13  
14     I2C_SendByte(crc);              //8
15     I2C_WaitToAck();                //9
16  
17     I2C_Stop();                     //10
18 }

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：

 1 u8 I2C_ReadBytes(void)
 2 {
 3     u8 data;
 4     u8 crc;
 5  
 6     I2C_Start();                    //1
 7  
 8     I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
 9     I2C_WaitToAck();                //3
10  
11     I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
12     I2C_WaitToAck();                //5
13  
14     I2C_Start();                   //6
15  
16     I2C_SendByte(Slaver_Addr | 1);  //7 1-读
17     I2C_WaitToAck();                //8
18  
19     data=I2C_ReadByte();            //9
20  
21     I2C_Ack();                      //10
22  
23     crc=I2C_ReadByte();             //11
24  
25     I2C_NoAck();                    //12
26  
27     I2C_Stop();                     //13
28 }

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。

岁月蹉跎，怠慢了整个人生！