目錄
1、硬體層
2、資料傳輸協議
3、作業程序
3.1、單個主設備連接多個從機
3.2、多個主設備連接多個從機
I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統或手機與周邊設備組件之間的通訊，由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示幕，IoT設備，EEPROM等之間的通信，
I2C主要特點如下所示：
- 只需要兩條總線；
- 沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；
- 所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟體尋址；
- I2C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測；
- 傳輸速度分為四種模式：
1、標準模式：Standard Mode=100 Kbps
2、快速模式：Fast Mode=400 Kbps
3、高速模式：High speed mode=3.4 Mbps
4、超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps
- 最大主設備數：無限制；
- 最大從機數：理論上是127，
1、硬體層
I2C協議僅需要SDA和SCL兩個引腳，SDA是串行資料線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫，這兩條資料線需要接上拉電阻，設備間的連接如下圖所示：
使用I2C，可以將多個從機（Slave）連接到單個主設備（Master）（一對多通信），并且還可以有多個主設備（Master）控制一個或多個從機（Slave）（多對多通信），
I2C總線（SDA，SCL）內部都使用漏極開路驅動器（開漏驅動），因此SDA和SCL可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認情況下將其保持在高電平；
上拉電阻的值取決于許多因素，德州儀器TI 建議使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：
其中VLO是邏輯低電壓；
IOL是邏輯低電流；
TR是信號的最大上升時間；
CB是總線（電線）電容；
具體如下所示：
根據上表，這里不難發現需要在做電阻選擇需要滿足幾個條件；
- 灌電流最大值為3mA；
- 另外I2C總線規范和用戶手冊還為低電平輸出電壓設定了最大值為0.4V，
所以根據上述公式可以計算，對于5V的電源，每個上拉電阻阻值至少1.53kΩ，而對于3.3V的電源，每個電阻阻值至少967Ω，
如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ，
上述推導程序可以參考 TI的檔案《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》
https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf
最終在除錯的時候，當測量SDA或SCL信號并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；
當然，這并不意味著每當灌電流超過3mA時，設備就會立即停止作業，但是，在操作超出其規格的設備時，應始終小心，因為它可能導致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備，
2、資料傳輸協議
主設備和從設備進行資料傳輸時遵循以下協議格式，資料通過一條SDA資料線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行資料，串行資料序列的結構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，資料位，停止條件，具體如下圖所示：
開始條件
當主設備決定開始通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作：
- 先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；
- 然后將
SCL從高電平切換到低電平；
在主設備發送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變為活動狀態，并等待接收地址位，具體如下圖所示：
地址位
通常地址位占7位資料，主設備如果需要向從機發送/接收資料，首先要發送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址，
I2C還支持10位尋址；
讀寫位
該位指定資料傳輸的方向，
- 如果主設備需要將資料發送到從設備，則該位設定為
0； - 如果主設備需要往從設備接收資料，則將其設定為
1，
ACK/NACK
主機每次發送完資料之后會等待從設備的應答信號ACK，
- 在第9個時鐘信號，如果從設備發送應答信號
ACK，則SDA會被拉低； - 若沒有應答信號
NACK，則SDA會輸出為高電平，這程序會引起主設備發生重啟或者停止；
資料塊
傳輸的資料總共有8位，由發送方設定，它需要將資料位傳輸到接收方，
發送之后會緊跟一個ACK / NACK位，如果接收器成功接收到資料，則設定為0，否則，它保持邏輯“ 1”，
重復發送，直到資料完全傳輸為止，
停止條件
當主設備決定結束通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；
- 先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；
- 再將SCL線從高電平拉到低電平，
具體如下圖所示：
3、作業程序
第1步：起始條件
主設備通過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連接的從機發送啟動條件，如下圖所示：
第2步：發送從設備地址
主設備向每個從機發送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應的讀/寫位，如下圖所示：
第3步：接收應答
每個從設備將主設備發送的地址與其自己的地址進行比較，如果地址匹配，則從設備通過將SDA線拉低一位以表示回傳一個ACK位，
如果來自主設備的地址與從機自身的地址不匹配，則從設備將SDA線拉高，表示回傳一個NACK位，
第4步：收發資料
主設備發送或接收資料到從設備，如下圖所示：
第5步：接收應答
在傳輸完每個資料幀后，接收設備將另一個ACK位回傳給發送方，以確認已成功接收到該幀，如下圖所示：
第6步：停止通信
為了停止資料傳輸，主設備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發送停止條件，如下圖所示：
3.1、單個主設備連接多個從機
I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址，可以使用128（2的7次方）個從機地址，如下圖所示：
3.2、多個主設備連接多個從機
多個主設備可以連接到一個或多個從機；
當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發送或接收資料時，同一系統中的多個主設備就會出現問題，
為了解決這個問題，每個主設備都需要在發送訊息之前檢測SDA線是低電平還是高電平；
- 如果SDA線為低電平，則意味著另一個主設備可以控制總線，并且主設備應等待發送訊息；
- 如果SDA線為高電平，則可以安全地發送訊息，
【I2C實戰】 DS18B20溫度傳感器的特性、原理、驅動（華大半導體HC32L136、ESP32驅動）
本文整理來源于：微信公眾號：小麥大叔，作者菜刀和小麥
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