一、I²C总线协议
- 1. I²C总线简介
- - 1.1 物理接口
  - 1.2 通讯特征
  - 1.3 I²C总线状态
- 2. I²C总线通信协议
- - 2.1 起始位和结束位
  - 2.2 数据格式与应答
  - 2.3 数据传输通讯
- 3.硬件I²C和软件I²C区别
二、温湿度采集代码编写
- 1. 了解AHT20芯片的相关信息
- 2. 具体代码添加过程
- 3. 主要代码
三、总结
参考资料

一、I²C总线协议

1. I²C总线简介

I²C是Inter-Integrated Circuit的简称，读作：I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。
主要用途：
SOC和周边外设间的通信（如：EEPROM，电容触摸芯片，各种Sensor等）。

1.1 物理接口

I²C总线只使用两条双向漏极开路的信号线（串行数据线：SDA，及串行时钟线：SCL），并利用电阻上拉。I²C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线，就实现了设备间的数据交互，极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用。I²C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD、及其他芯片的接口。I²C允许相当大的工作电压范围，典型的电压基准为：+3.3V或+5V。

SCL（Serial Clock）：串行时钟线，传输CLK信号，一般是主设备向从设备提供
SDA（Serial Data）：串行数据线，传输通信数据

I²C总线接口内部结构如下图所示：

I²C使用一个7bit的设备地址，一组总线最多和112个节点通信。最大通信数量受限于地址空间及400pF的总线电容。

常见的I²C总线以传输速率的不同分为不同的模式：标准模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s），时钟频率可以被下降到零，即暂停通信。

该总线是一种多主控总线，即可以在总线上放置多个主设备节点，在停止位（P）发出后，即通讯结束后，主设备节点可以成为从设备节点。

主设备节点：产生时钟并发起通信的设备节点
从设备节点：接收时钟并响应主设备节点寻址的设备节点

1）I²C通信双方地位不对等，通信由主设备发起，并主导传输过程，从设备按I²C协议接收主设备发送的数据，并及时给出响应。
2）主设备、从设备由通信双方决定（I²C协议本身无规定），既能当主设备，也能当从设备（需要软件进行配置）。
3）主设备负责调度总线，决定某一时刻和哪个从设备通信。同一时刻，I²C总线上只能有一对主设备、从设备通信。
4）每个I²C从设备在I²C总线通讯中有一个I²C从设备地址，该地址唯一，是从设备的固有属性，通信中主设备通过从设备地址来找到从设备。

I²C总线多主设备结构如下图所示：

1.2 通讯特征

串行、同步、非差分、低速率

1）串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输
2）同步通信，即双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线，将A设备的时钟传输到B设备，B设备在A设备传输的时钟下工作。同步通信的特征是：通信线中有CLK。
3）非差分，I²C通信速率不高，且通信距离近，使用电平信号通信。
4）低速率，I²C一般是同一个板子上的两个IC芯片间通信，数据量不大，速率低。速率：几百KHz，速率可能不同，不能超过IC的最高速率。

1.3 I²C总线状态

I²C总线上有两种状态：

空闲态：没有设备发生通信。
忙态：其中一个从设备和主设备通信，I²C总线被占用，其他从设备处于等待状态。

2. I²C总线通信协议

**时序：**在通信中时序是通信线上按时间顺序发生的电平变化，及这些电平变化对通信的意义。

每个通信周期都由一个起始位开始通信，由一个结束位结束通信，中间部分是传递的数据。

每个通信周期，主设备会先发8位的从设备地址（从设备地址由高7位的实际从设备地址和低1位的读/写标志位组成），主设备以广播的形式发送从设备地址，I²C总线上的所有从设备收到地址后，判断从设备地址是否匹配，不匹配的从设备继续等待，匹配的设备发出一个应答信号。

同一时刻，主设备、从设备只能有一个设备发送数据。

2.1 起始位和结束位

I²C总线通讯由起始位开始通讯，由结束位停止通讯，并释放I²C总线。起始位和结束位都由主设备发出。
起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平
结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平

如下图所示：

2.2 数据格式与应答

I²C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。

应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平

在传输期间，如果从设备来不及处理主设备发送的数据，从设备会保持SCL线为低电平，强迫主设备等待从设备释放SCL线，直到从设备处理完后，释放SCL线，接着进行数据传输。

如下图所示：

2.3 数据传输通讯

写数据
开始数据传输后，先发送一个起始位（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据，该读写标志位决定数据的传输方向），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK）。每一个字节数据的传输都要跟一个应答信号位。数据传输以停止位（P）结束，并且释放I2C总线。

读数据
开始通讯时，主设备先发送一个起始信号（S），主设备发送一个地址数据（由7bit的从设备地址，和最低位的写标志位组成的8bit字节数据），然后，主设备释放SDA线，并等待从设备的应答信号（ACK），从设备应答主设备后，主设备再发送要读取的寄存器地址，从设备应答主设备（ACK），主设备再次发送起始信号（Sr），主设备发送设备地址（包含读标志），从设备应答主设备，并将该寄存器的值发送给主设备；

读取单字节数据：
主设备要读取的数据，如果是只有一个字节的数值，就要结束应答，主设备要先发送一个非应答信号（NOACK），再发送结束信号（P）；
读取多字节数据：
主设备要读取的数据，如果是大于一个字节的多个数据，就发送ACK应答信号（ACK），而不是非应答信号（NOACK），然后主设备再次接收从设备发送的数据，依次类推，直到主设备读取的数值是最后一个字节数据后，需要主设备给从设备发送非应答信号（NOACK），再发送结束信号（P），结束I²C通讯，并释放I²C总线。

注意：所有的数据传输过程中，SDA线的电平变化必须在SCL为低电平时进行，SDA线的电平在SCL线为高电平时要保持稳定不变。如下图所示：

3.硬件I²C和软件I²C区别

所谓硬件I²C对应芯片上的I²C外设，有相应I²C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的；软件I²C一般是用GPIO管脚，用软件控制管脚状态以模拟I²C通信波形。

硬件I²C的效率要远高于软件的，而软件I²C由于不受管脚限制，接口比较灵活。

模拟I²C 是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式，而硬件（固件）I²C是直接调用内部寄存器进行配置。如果要从具体硬件上来看，可以去看下芯片手册。因为固件I²C的端口是固定的，所以会有所区别。

至于如何区分它们

可以看底层配置，比如IO口配置，如果配置了IO口的功能（I²C功能）那就是固件I²C，否则就是模拟
可以看I²C写函数，看里面有木有调用现成的函数或者给某个寄存器赋值，如果有，则肯定是固件I²C功能，没有的话肯定是数据一个bit一个bit模拟发生送的，肯定用到了循环，则为模拟。
根据代码量判断，模拟的代码量肯定比固件的要大。

硬件I²C用法比较复杂，模拟I²C的流程更清楚一些。
硬件I²C速度比模拟快，并且可以用DMA
模拟I²C可以在任何管脚上，而硬件只能在固定管脚上。

软件i²c是程序员使用程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。一般较硬件i²c稳定，但是程序较为繁琐，但不难。

硬件i²c程序员只要调用i²c的控制函数即可，不用直接的去控制SCL,SDA高低电平的输出。但是有些单片机的硬件i²c不太稳定，调试问题较多。

二、温湿度采集代码编写

1. 了解AHT20芯片的相关信息

具体信息请到官方下载对应产品介绍文档，资料链接如下
http://www.aosong.com/class-36.html

2. 具体代码添加过程

在野火提供的示例代码中，打开一个只包含固件库的空项目。向工程中添加相关代码，添加代码的具体内容请参考下面链接：
https://blog.csdn.net/hhhhhh277523/article/details/111397514

3. 主要代码

main.c:

int main(void)
{   delay_init();     //初始化  uart_init(115200);  //波特率IIC_Init();while(1){printf("温度湿度显示");read_AHT20_once();delay_ms(2000);}
}

bsp_i2c.c:

uint8_t   ack_status=0;
uint8_t   readByte[6];
uint8_t   AHT20_status=0;uint32_t  H1=0;  //Humility
uint32_t  T1=0;  //Temperatureuint8_t  AHT20_OutData[4];
uint8_t  AHT20sendOutData[10] = {0xFA, 0x06, 0x0A, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF};void IIC_Init(void)
{                        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE ); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);IIC_SCL=1;IIC_SDA=1;}void IIC_Start(void)
{SDA_OUT();   IIC_SDA=1;         IIC_SCL=1;delay_us(4);IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low delay_us(4);IIC_SCL=0;
}     void IIC_Stop(void)
{SDA_OUT();//sda??ê?3?IIC_SCL=0;IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to highdelay_us(4);IIC_SCL=1; IIC_SDA=1;delay_us(4);
}u8 IIC_Wait_Ack(void)
{u8 ucErrTime=0;SDA_IN();      IIC_SDA=1;delay_us(1);    IIC_SCL=1;delay_us(1);   while(READ_SDA){ucErrTime++;if(ucErrTime>250){IIC_Stop();return 1;}}IIC_SCL=0;return 0;
} void IIC_Ack(void)
{IIC_SCL=0;SDA_OUT();IIC_SDA=0;delay_us(2);IIC_SCL=1;delay_us(2);IIC_SCL=0;
}void IIC_NAck(void)
{IIC_SCL=0;SDA_OUT();IIC_SDA=1;delay_us(2);IIC_SCL=1;delay_us(2);IIC_SCL=0;
}                                        void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        u8 t;   SDA_OUT();         IIC_SCL=0;for(t=0;t<8;t++){              IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;txd<<=1;      delay_us(2);   IIC_SCL=1;delay_us(2); IIC_SCL=0;    delay_us(2);}
}       u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{unsigned char i,receive=0;SDA_IN();//SDAéè???aê?è?for(i=0;i<8;i++ ){IIC_SCL=0; delay_us(2);IIC_SCL=1;receive<<=1;if(READ_SDA)receive++;   delay_us(1); }                  if (!ack)IIC_NAck();elseIIC_Ack();  return receive;
}void IIC_WriteByte(uint16_t addr,uint8_t data,uint8_t device_addr)
{IIC_Start();  if(device_addr==0xA0)IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));elseIIC_Send_Byte(device_addr);     IIC_Wait_Ack(); IIC_Send_Byte(addr&0xFF);   IIC_Wait_Ack(); IIC_Send_Byte(data);                        IIC_Wait_Ack();                     IIC_Stop();if(device_addr==0xA0) //delay_ms(10);elsedelay_us(2);
}uint16_t IIC_ReadByte(uint16_t addr,uint8_t device_addr,uint8_t ByteNumToRead)  //?á??′??÷?ò?áêy?Y
{   uint16_t data;IIC_Start();  if(device_addr==0xA0)IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));elseIIC_Send_Byte(device_addr); IIC_Wait_Ack();IIC_Send_Byte(addr&0xFF);  IIC_Wait_Ack(); IIC_Start();      IIC_Send_Byte(device_addr+1);     IIC_Wait_Ack();if(ByteNumToRead == 1){data=IIC_Read_Byte(0);}else{data=IIC_Read_Byte(1);data=(data<<8)+IIC_Read_Byte(0);}IIC_Stop();   return data;
}//AHT20芯片的使用过程
void  read_AHT20_once(void)
{delay_ms(10);reset_AHT20();//重置AHT20芯片delay_ms(10);init_AHT20();//初始化AHT20芯片delay_ms(10);startMeasure_AHT20();//开始测试AHT20芯片delay_ms(80);read_AHT20();//读取AHT20采集的到的数据delay_ms(5);
}//重置AHT20芯片
void  reset_AHT20(void)
{I2C_Start();I2C_WriteByte(0x70);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("1");else printf("1-n-");I2C_WriteByte(0xBA);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("2");else printf("2-n-");I2C_Stop();/*AHT20_OutData[0] = 0;AHT20_OutData[1] = 0;AHT20_OutData[2] = 0;AHT20_OutData[3] = 0;*/
}//初始化AHT20芯片
void  init_AHT20(void)
{I2C_Start();I2C_WriteByte(0x70);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("3");else printf("3-n-");    I2C_WriteByte(0xE1);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("4");else printf("4-n-");I2C_WriteByte(0x08);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("5");else printf("5-n-");I2C_WriteByte(0x00);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("6");else printf("6-n-");I2C_Stop();
}void  startMeasure_AHT20(void)
{//------------I2C_Start();I2C_WriteByte(0x70);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("7");else printf("7-n-");I2C_WriteByte(0xAC);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("8");else printf("8-n-");I2C_WriteByte(0x33);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("9");else printf("9-n-");I2C_WriteByte(0x00);ack_status = Receive_ACK();if(ack_status) printf("10");else printf("10-n-");I2C_Stop();
}//AHT20芯片读取数据
void read_AHT20(void)
{uint8_t   i;for(i=0; i<6; i++){readByte[i]=0;}I2C_Start();//I2C启动I2C_WriteByte(0x71);//I2C写数据ack_status = Receive_ACK();//收到的应答信息readByte[0]= I2C_ReadByte();//I2C读取数据Send_ACK();//发送应答信息readByte[1]= I2C_ReadByte();Send_ACK();readByte[2]= I2C_ReadByte();Send_ACK();readByte[3]= I2C_ReadByte();Send_ACK();readByte[4]= I2C_ReadByte();Send_ACK();readByte[5]= I2C_ReadByte();SendNot_Ack();//Send_ACK();I2C_Stop();//I2C停止函数//判断读取到的第一个字节是不是0x08，0x08是该芯片读取流程中规定的，如果读取过程没有问题，就对读到的数据进行相应的处理if( (readByte[0] & 0x68) == 0x08 ){H1 = readByte[1];H1 = (H1<<8) | readByte[2];H1 = (H1<<8) | readByte[3];H1 = H1>>4;H1 = (H1*1000)/1024/1024;T1 = readByte[3];T1 = T1 & 0x0000000F;T1 = (T1<<8) | readByte[4];T1 = (T1<<8) | readByte[5];T1 = (T1*2000)/1024/1024 - 500;AHT20_OutData[0] = (H1>>8) & 0x000000FF;AHT20_OutData[1] = H1 & 0x000000FF;AHT20_OutData[2] = (T1>>8) & 0x000000FF;AHT20_OutData[3] = T1 & 0x000000FF;}else{AHT20_OutData[0] = 0xFF;AHT20_OutData[1] = 0xFF;AHT20_OutData[2] = 0xFF;AHT20_OutData[3] = 0xFF;printf("读取失败！！！");}printf("\r\n");//根据AHT20芯片中，温度和湿度的计算公式，得到最终的结果，通过串口显示printf("温度:%d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);printf("湿度:%d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);printf("\r\n");
}uint8_t  Receive_ACK(void)
{uint8_t result=0;uint8_t cnt=0;IIC_SCL = 0;SDA_IN(); delay_us(4);IIC_SCL = 1;delay_us(4);while(READ_SDA && (cnt<100)){cnt++;}IIC_SCL = 0;delay_us(4);if(cnt<100){result=1;}return result;
}void  Send_ACK(void)
{SDA_OUT();IIC_SCL = 0;delay_us(4);IIC_SDA = 0;delay_us(4);IIC_SCL = 1;delay_us(4);IIC_SCL = 0;delay_us(4);SDA_IN();
}void  SendNot_Ack(void)
{SDA_OUT();IIC_SCL = 0;delay_us(4);IIC_SDA = 1;delay_us(4);IIC_SCL = 1;delay_us(4);IIC_SCL = 0;delay_us(4);IIC_SDA = 0;delay_us(4);
}void I2C_WriteByte(uint8_t  input)
{uint8_t  i;SDA_OUT();for(i=0; i<8; i++){IIC_SCL = 0;delay_ms(5);if(input & 0x80){IIC_SDA = 1;//delaymm(10);}else{IIC_SDA = 0;//delaymm(10);}IIC_SCL = 1;delay_ms(5);input = (input<<1);}IIC_SCL = 0;delay_us(4);SDA_IN();delay_us(4);
}   uint8_t I2C_ReadByte(void)
{uint8_t  resultByte=0;uint8_t  i=0, a=0;IIC_SCL = 0;SDA_IN();delay_ms(4);for(i=0; i<8; i++){IIC_SCL = 1;delay_ms(3);a=0;if(READ_SDA){a=1;}else{a=0;}//resultByte = resultByte | a;resultByte = (resultByte << 1) | a;IIC_SCL = 0;delay_ms(3);}SDA_IN();delay_ms(10);return   resultByte;
}void  set_AHT20sendOutData(void)
{/* --------------------------* 0xFA 0x06 0x0A temperature(2 Bytes) humility(2Bytes) short Address(2 Bytes)* And Check (1 byte)* -------------------------*/AHT20sendOutData[3] = AHT20_OutData[0];AHT20sendOutData[4] = AHT20_OutData[1];AHT20sendOutData[5] = AHT20_OutData[2];AHT20sendOutData[6] = AHT20_OutData[3];//  AHT20sendOutData[7] = (drf1609.shortAddress >> 8) & 0x00FF;
//  AHT20sendOutData[8] = drf1609.shortAddress  & 0x00FF;//    AHT20sendOutData[9] = getXY(AHT20sendOutData,10);
}void  I2C_Start(void)
{SDA_OUT();IIC_SCL = 1;delay_ms(4);IIC_SDA = 1;delay_ms(4);IIC_SDA = 0;delay_ms(4);IIC_SCL = 0;delay_ms(4);
}void  I2C_Stop(void)
{SDA_OUT();IIC_SDA = 0;delay_ms(4);IIC_SCL = 1;delay_ms(4);IIC_SDA = 1;delay_ms(4);
}

线路连接：
由于本程序采用的软件I2C实现的，采用GPIO引脚是PB6，PB7。具体定义代码如下
#define SDA_IN() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)8<<28;}
#define SDA_OUT() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)3<<28;}
#define IIC_SCL PBout(6) //SCL
#define IIC_SDA PBout(7) //SDA
#define READ_SDA PBin(7)
所以，SCL连接PB6，SDA连接PB7。

boot0置1，boot1置0烧写代码，boot0置0，boot1置1 读取温湿度数据：

三、总结

对于I2C协议进行通信的一个过程有了一个基本的理解。虽然读出了温湿度，但与实际的温度还是有差异，不是很准确，但加温时能读出温度在升高，证明芯片在正确工作中。

参考资料

I2C总线通讯协议
stm32通过I2C接口实现温湿度（AHT20）的采集

https://blog.csdn.net/qq_31860135/article/details/88658136

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