今天我們來玩兒I2C。

I2C概述

I2C全稱是Inter-Integrated Circuit，是飛利浦半導體公司（06年遷移到NXP了）在1982年發(fā)明的，是使用非常廣泛的一種通信協(xié)議，很多傳感器、存儲芯片、OLED等，都是在使用I2C。標準輸出模式下能達到100kbps的傳輸速率，快速模式下能達到400kbps的傳輸速率，高速模式下能達到3.4Mbps，超高速下最快能達到5Mbps。

與UART一樣，IIC僅用兩條線在設(shè)備間通信：

SCL — 時鐘信號

SDA — 數(shù)據(jù)信號

I2C主機與從機之間共享時鐘信號，時鐘始終由主機控制，總線下面可以掛多個設(shè)備，是一種同步，多主，多從，半雙工的通信協(xié)議，下面我們簡單介紹一下通信原理：

默認情況下，兩條線都被上拉，SCL=1，SDA=1。

啟動與停止信號：

通信開始，要先發(fā)開啟動信號，結(jié)束的時候，要發(fā)送結(jié)束信號。

開始信號由主設(shè)備發(fā)出啟動，具體為在SCL高電平期間，SDA從高電平切換到低電平；

停止信號由主設(shè)備發(fā)出結(jié)束，具體為在SCL高電平期間，SDA從低電平切換到高電平；

當然，在傳輸過程中，有時候需要更改數(shù)據(jù)方向，重新傳輸?shù)?，我們沒必要發(fā)停止信號，直接重新發(fā)啟動信號啟動即可。

地址字節(jié)

我們的總線上可能掛很多從設(shè)備，在我們主設(shè)備發(fā)送了啟動信號之后，總線上的從設(shè)備就都被“喚醒”了，等著主設(shè)備發(fā)送地址寵幸。所以這里有一個從機地址的概念，從機地址以8位字節(jié)發(fā)送的，MSB在前，最后一位表示接下來讀或?qū)?，所?span style="color: #EF7060">高7位構(gòu)成了從機地址，也可以看出，同一個總線上，可以尋址128個從設(shè)備。

一旦從設(shè)備的地址匹配，就繼續(xù)讀取最后一位，低電平代表寫入，高電平代表讀取。其它從設(shè)備就忽略后面的數(shù)據(jù)。

ACK與NACK

在每個字節(jié)傳輸之后，接收設(shè)備發(fā)送一個應(yīng)答信號，確認或者不確認，接收設(shè)備通過在SCL高電平期間，將SDA拉低生成一個確認信號ACK，拉高生成一個不確認信號NACK，這里ACK主要用于表示字節(jié)正確傳輸了，NACK表示數(shù)據(jù)傳輸有錯誤，需要從新發(fā)送。應(yīng)答信號主設(shè)備，從設(shè)備都可以產(chǎn)生，比如，主設(shè)備從從設(shè)備讀取最后一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，就要發(fā)送NACK結(jié)束傳輸。

數(shù)據(jù)信號

數(shù)據(jù)以8位字節(jié)格式傳輸，高字節(jié)在前，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒有限制，但是每個字節(jié)后面必須要有一個數(shù)據(jù)接收方產(chǎn)生的應(yīng)答信號。傳輸過程中，SCL為低的時候，SDA數(shù)據(jù)可以改變，SCL為高的時候，SDA的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定。

命令字節(jié)

當寫入或讀取從設(shè)備中特定寄存器時，主機首先要向已尋址的從機寫入寄存器地址，其實也是一個數(shù)據(jù)字節(jié)，我們這里稱之為命令字節(jié)。

寫入設(shè)備

主設(shè)備在發(fā)出啟動信號之后，緊著著發(fā)送要操作從設(shè)備的地址，最后一位為低電平表示接下來寫入數(shù)據(jù)，然后在時鐘信號下一位一位的寫入數(shù)據(jù)，在從設(shè)備發(fā)出ACK應(yīng)答之后，發(fā)送結(jié)束信號結(jié)束通信。

讀取數(shù)據(jù)

主設(shè)備在發(fā)出啟動信號之后，緊著著發(fā)送要操作從設(shè)備的地址，最后一位為高電平表示接下來讀取數(shù)據(jù)，然后接管SDA數(shù)據(jù)線并在時鐘的控制下向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，主設(shè)備同樣要在每個字節(jié)接收完畢的時候發(fā)送ACK響應(yīng)，當主設(shè)備不想接收的時候，就在最后一個字節(jié)接收后發(fā)送NACK響應(yīng)，然后恢復對總線的控制并發(fā)送結(jié)束信號。

SCL的控制權(quán)始終在主機這里。

當然，實際還要很多組合傳輸協(xié)議，這里由于篇幅問題就不展開說了，基本上大同小異，我們根據(jù)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊來傳輸就可以啦。I2C還有很多特性，快速命令，仲裁，多主控等等，普通的應(yīng)用接觸不到，感興趣的小伙伴自行研究下。

硬件

ESP32有2個硬件I2C總線接口，接口可以配置為主機或從機模式，支持如下特性：

• 標準模式 (100 Kbit/s)
• 快速模式 (400 Kbit/s)
• 高達 5 MHz，但受 SDA 上拉強度的限制
• 7位/10位尋址模式
• 雙尋址模式，用戶可以通過編程命令寄存器來控制 I2C 接口，讓他們有更大的靈活性

SDA與SCL是低電平有效的，所以我們應(yīng)該在兩根數(shù)據(jù)線上用電阻上拉，IO內(nèi)部也是開漏輸出的，一般5V系統(tǒng)接4.7K上拉，3.3V系統(tǒng)接2.4K上拉即可。ESP32上，SDA默認連接GPIO21，SCL默認連接GPIO22，當然，我們可以在代碼中配置到任何引腳。

軟件

啟動I2C

啟動Wire庫并作為主機或者從機加入總線，這個函數(shù)調(diào)用一次即可，參數(shù)為7位從機地址，不帶參數(shù)就以主機的形式加入總線。

Wire.begin();Wire.begin(address)

主設(shè)備從從設(shè)備請求字節(jié)

由主設(shè)備向從設(shè)備請求字節(jié)，之后用available()和read()函數(shù)讀取字節(jié)，第三個參數(shù)位為stop，在請求后會發(fā)送停止消息，釋放I2C總線，否則總線就不會被釋放。

Wire.requestFrom(address, quantity);Wire.requestFrom(address, quantity, stop);

給指定地址的從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)

給指定地址的從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，之后調(diào)用write()函數(shù)排隊傳輸字節(jié)，要通過endTransmission()結(jié)束傳輸。

Wire.beginTransmission(address)

endTransmission()有以下幾個返回結(jié)果：

• 0：成功
• 1：數(shù)據(jù)太長，無法放入發(fā)送緩沖區(qū)
• 2：在發(fā)送地址時收到 NACK
• 3：在發(fā)送數(shù)據(jù)時收到 NACK
• 4：其他錯誤

寫數(shù)據(jù)

向從設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，在調(diào)用 beginTransmission() 和 endTransmission() 之間。

Wire.write(value)Wire.write(string)Wire.write(data, length)

舉個例子

#include <Wire.h>byte val = 0;void setup(){ Wire.begin(); // join i2c bus}void loop(){ Wire.beginTransmission(44); // transmit to device #44 (0x2c) // device address is specified in datasheet Wire.write(val); // sends value byte Wire.endTransmission(); // stop transmitting val ; // increment value if(val == 64) // if reached 64th position (max) { val = 0; // start over from lowest value } delay(500);}

讀數(shù)據(jù)

調(diào)用requestFrom()后從從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

Wire.read()

舉個例子

#include <Wire.h>void setup(){ Wire.begin(); // join i2c bus (address optional for master) Serial.begin(9600); // start serial for output}void loop(){ Wire.requestFrom(2, 6); // request 6 bytes from slave device #2 while(Wire.available()) // slave may send less than requested { char c = Wire.read(); // receive a byte as character Serial.print(c); // print the character } delay(500);}

還有其它一些函數(shù)，例如修改時鐘頻率等等，大家用到的時候自行了解一下。

完整程序

這里我們用一個例子來演示一下，I2C啟動之后，我們開始掃描總線上存在的設(shè)備，并通過串口打印結(jié)果出來，我在I2C下面接了一個OLED的設(shè)備。

#include "Wire.h"void setup(){ Serial.begin(115200); Serial.println(); Serial.println("Scanning for I2C Devices ..."); Serial.print("rn"); int I2CDevices = 0; byte address; Wire.begin(); for (address = 1; address < 127; address ) { Wire.beginTransmission(address); if (Wire.endTransmission() == 0) { Serial.print("Found I2C Device: "); Serial.print(" (0x"); if (address < 16) { Serial.print("0"); } Serial.print(address, HEX); Serial.println(")"); I2CDevices ; } } if (I2CDevices == 0) { Serial.println("沒有發(fā)現(xiàn)I2C設(shè)備!n"); } else { Serial.print("發(fā)現(xiàn)了"); Serial.print(I2CDevices); Serial.println("個I2C設(shè)備!n"); } }void loop(){}

Wire.endTransmission()返回0，代表這個地址通信成功，我們就認為總線上存在這個地址的設(shè)備。

I2C OLED

I2C只是個通信協(xié)議，具體的還是要結(jié)合實物來演示，比如一些傳感器或者屏幕，這里我們用I2C協(xié)議的0.96寸OLED屏幕來演示下：

OLED使用SSD1306控制芯片，所以我們需要下載一個庫SSD1306，另外還需要配合圖形庫GFX操作，代碼中，我們先包含對應(yīng)頭文件，然后創(chuàng)建一個Adafruit_SSD1306對象，第三個參數(shù)是用的I2C對象。

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

初始化時候用display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)初始化顯示對象，傳入地址，然后就可以自由簡單的顯示我們想要顯示的數(shù)據(jù)了。

關(guān)于Adafruit_GFX庫，非常強大的一個圖形庫，我們后面單獨講解具體的原理，這里先了解一下即可。

完整程序

#include <Wire.h>#include <Adafruit_GFX.h>#include <Adafruit_SSD1306.h>#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixelsAdafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);void setup() { Serial.begin(115200); if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { Serial.println(F("SSD1306 allocation failed")); for(;;); } delay(1000); display.display(); display.clearDisplay(); display.setTextColor(WHITE); display.setTextSize(1); display.setCursor(0,0); display.print("CHIPHOME"); display.display(); display.setCursor(0,8); display.print("12345678"); display.display(); delay(1000);}void loop() {}

SSD1306示例代碼演示：

Adafruit_SSD示例代碼效果：

感謝大家，關(guān)于ESP32的學習，希望大家Enjoy!

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