STM32HAL库 -- 9.IIC通信 软件IIC与硬件IIC驱动0.96寸OLED屏幕

目录

1.简介

2.IIC通信协议

2.1IIC简介

2.2IIC总线结构

2.3IIC的性能参数

2.4IIC基本时序单元

2.4.1起始条件

2.4.2停止条件

2.4.3发送或接收1字节数据

2.4.4应答信号

2.5IIC时序

2.5.1地址帧

2.5.2重复起始条件

2.5.3IIC通信时序示例 -- 指定地址写数据

2.5.4IIC通信时序示例 -- 当前地址读数据

 2.5.5IIC通信时序示例 -- 指定地址读

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3.软件IIC和硬件IIC

3.1软件IIC

3.2硬件IIC

4.软件IIC代码

4.1硬件连接

4.2程序编写

4.2.1宏定义

4.2.2GPIO的初始化

4.2.3起始条件

4.2.4停止条件

4.2.5检测应答信号

4.2.6发送应答信号和非应答信号

4.3测试代码

5.硬件IIC代码

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1.简介

        这个文章会介绍IIC通信，然后编写IIC的代码。

        作者使用的开发板是正点原子的精英版，写文章用于记录学习和经验分享。

2.IIC通信协议

2.1IIC简介

        IIC（Inter-Integrated Circuit）通信协议，是一种由Philips公司（现为NXP Semiconductors）在1982年推出的多主机的、双向的、同步的串行通信协议。它主要用于集成电路之间的短距离通信，广泛应用于嵌入式系统和微控制器之间的通信。

2.2IIC总线结构

IIC 总线由两条信号线组成：

信号线	含义	功能
SDA	Serial Data Line	数据传输线，用于主从设备之间发送和接收数据
SCL	Serial Clock Line	时钟线，由主设备生成，控制数据传输的时序

        开漏输出结构：IIC 的 SDA 和 SCL 引脚通常为开漏输出（Open-drain 或 Open-collector） ，这意味着它们只能将信号拉低（0V），不能主动驱动高电平（VCC）。

        上拉电阻：为了使信号恢复到高电平，必须在总线上添加外部上拉电阻（Pull-up Resistor） 连接到 VCC。典型值：1kΩ ~ 10kΩ（取决于总线速度和负载），高速模式下需要更小阻值以加快上升沿时间。

        总线拓扑结构：单主多从结构，即一个主设备控制多个从设备。多主多从结构，即支持多个主设备竞争总线使用权，通过仲裁机制避免冲突。

2.3IIC的性能参数

以下是标准 I²C 协议的主要性能参数：

参数	描述
通信类型	同步串行通信
数据线数量	2 条：SDA（数据线）、SCL（时钟线）
通信方向	半双工
通信模式	主从模式（支持多主多从）
数据单位	一个字节 = 8 位数据位（MSB先传）每个字节后必须有一个 ACK/NACK 应答位
最大传输速率	标准模式下为 100 kbps，快速模式下为 400 kbps，高速模式下可达 3.4 Mbps
电压电平	通常为 5V 或 3.3V，但可支持更低的电压（如 1.8V）
总线拓扑结构	开漏输出 + 上拉电阻
地址位宽	支持 7 位或 10 位寻址方式
最大从设备数量	总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF限制。一般不超过8个。

2.4IIC基本时序单元

2.4.1起始条件

        起始条件（START Condition）。当 SCL 为高电平时，SDA 由高变低。通知所有从设备一次通信即将开始。

        特点是只有主设备可以发出起始信号。所有从设备进入监听状态。

2.4.2停止条件

        停止条件（STOP Condition）。当SCL 为高电平时，SDA 由低变高。表示本次通信结束。

2.4.3发送或接收1字节数据

        SCL低电平期间，发送端（主机或从机）将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后主机（或具有时钟控制权的一方）主动将 SCL 置为高电平，接收方（从机或主机）将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送或接收一个字节。

2.4.4应答信号

        每次 IIC 总线上传输一个字节（8位）后，接收方必须返回一个应答信号（ACK/NACK） ，作为对发送方的回应。发送方在此期间释放 SDA，允许接收方控制该信号线，并且发送方采样其状态以判断是 ACK 还是 NACK。

        应答信号占据第9个时钟周期（SCL周期），紧跟在每个字节之后。

类型	含义	SDA 状态
ACK（Acknowledgment）	接收成功	SDA = 低电平
NACK（Not Acknowledgment）	接收失败或未准备好	SDA = 高电平

        STOP信号之前的应答信号：

操作类型	是否应在 STOP 前发送 NACK？	说明
读操作	✅ 是	最后一个字节应答为 NACK
写操作	❌ 否	最后一个字节应答为 ACK 即可

2.5IIC时序

        一个完整的 IIC 时序 包含多个关键信号阶段：起始条件、地址帧传输、应答/非应答（ACK/NACK）、数据帧传输、重复起始条件（可选）、停止条件等。这些阶段构成了主设备与从设备之间的一次完整通信过程。

        起始条件、应答/非应答、数据帧传输和停止条件在之前一节已经讲过。

2.5.1地址帧

        地址帧是一个 8位的数据字节，用于标识将要通信的从设备地址和数据传输方向（读/写）。

        地址帧结构（7位地址模式下）：

位号	7	6	5	4	3	2	1	0
内容	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0	R/W#

        A6~A0（共7位） ：表示从设备的地址。
        R/W#（第0位） ：表示数据传输方向。0：写操作（主设备向从设备发送数据）；1：读操作（主设备从从设备读取数据）。

        当主机发出起始条件之后紧跟着发送地址帧，此时所有从设备监听总线，比对收到的地址是否与自身匹配。如果匹配，则该从设备开始响应后续通信（如返回 ACK），并准备接收或发送数据。如果不匹配，从设备将继续监听下一次 START 条件。

2.5.2重复起始条件

        重复起始条件是指在一次 IIC 通信过程中，主设备在没有发出 STOP 条件的前提下，再次发出一个 START 条件，从而开启一个新的地址帧传输周期。这是 I²C 协议正式支持的标准操作之一。

作用	描述
切换读写方向	在连续读写操作中，用于从“写”切换为“读”
访问多个从设备	在不释放总线的前提下，访问不同的从设备
提高通信效率	避免多次发送 START 和 STOP，减少通信开销

        使用场景1：主设备先写地址和寄存器，然后切换为读数据

        [START] → [地址+写] → [ACK] → [寄存器地址] → [ACK] → [Repeated START] → [地址+读] → [ACK] → [读取数据字节] → [NACK] → [STOP]

        使用场景2：主设备访问多个从设备而不释放总线

        [START] → [地址A+写] → [ACK] → [数据1] → [ACK] → [Repeated START] → [地址B+写] → [ACK] → [数据2] → [ACK] → [STOP]

2.5.3IIC通信时序示例 -- 指定地址写数据

        [START] → [0xD0(从设备地址)+0(写)] → [ACK] → [0x19(寄存器地址)] → [ACK] → [0xAA(数据)] → [ACK] → [STOP]

2.5.4IIC通信时序示例 -- 当前地址读数据

        “当前地址读数据”是指主设备在不发送新的地址帧（如寄存器地址）的情况下，直接从从设备的当前地址指针位置开始读取数据。        

        在许多 IIC 从设备（如 EEPROM、ADC、传感器等）中，内部都有一个 地址指针寄存器（Address Pointer Register） ，用于指示下一次读或写操作的目标地址。 例如：主机写入地址 0x05 并写入一个字节后，下次写入将发生在地址 0x06。

        某些设备（如某些传感器）每次通信都需要重新发送地址。即使进行了写操作，地址指针也不会改变。OLED 显示屏 SSD1306（通常需要每次都写显存地址）。

        当主设备执行以下操作时，地址指针会发生变化：

操作类型	地址指针行为
写地址帧 + 数据帧	设置地址指针为指定值
写数据（带地址）	设置地址指针，并写入数据后指针自动递增
读数据	从当前地址读取数据后，地址指针通常自动递增

        [START] → [0xD0(从设备地址)+1(读)] → [ACK]  → [0x0F(数据)] → [NACK] → [STOP]

 2.5.5IIC通信时序示例 -- 指定地址读

       [START] → [0xD0(从设备地址)+0(写)] → [ACK] → [0x19(寄存器地址)] → [ACK] → [Repeated START] → [0xD0(从设备地址)+1(读)]  → [ACK]  → [0xAA(数据)] → [NACK] → [STOP]

3.软件IIC和硬件IIC

3.1软件IIC

        在嵌入式系统中，软件 IIC（Software IIC） 是一种通过 通用输入输出引脚（GPIO）模拟 IIC 总线协议 的方式。通过编写函数控制 SDA 和 SCL 的电平变化，并严格遵循 IIC 协议的时序规范，即可实现数据的发送和接收。

信号线	GPIO 功能
SDA（Serial Data Line）	数据线，双向传输
SCL（Serial Clock Line）	时钟线，主设备控制

        软件IIC的优缺点：

优点	描述
灵活	可使用任意 GPIO 引脚作为 SDA 和 SCL
无需硬件支持	即使没有硬件 I²C 模块也可通信
便于调试	可插入打印语句观察每个步骤
兼容性强	支持各种平台（如 STM32、ESP32、Arduino、51、AVR 等）

缺点	描述
速度慢	依赖 CPU 轮询，难以达到高速模式（>400kbps）
占用 CPU 资源	实时性要求高时影响性能
代码复杂度高	需处理 START/STOP、ACK/NACK、地址帧、数据帧等
抗干扰能力差	容易受中断或延时影响导致通信失败

3.2硬件IIC

        硬件 IIC（Inter-Integrated Circuit） 是指由微控制器（MCU）或系统芯片（SoC）内部集成的专用外设模块，用于实现 高速、稳定、自动化的 IIC 总线通信，能够自动处理 I²C 协议的起始条件、地址帧、数据传输、ACK/NACK 应答、停止条件等操作。

       

4.软件IIC代码

        使用软件IIC的方式，操作oled屏幕。主要验证软件IIC的功能，对oled屏幕的驱动，不进行说明。

4.1硬件连接

        选用两个GPIO接口当作SCL、SDA。另外两根线分别接VCC、GND即可。

        作者选择的SCL 接在PD13、SDA接在PD15。

4.2程序编写

4.2.1宏定义

/*********宏定义********/
#define		OLED_SLAVE_ADDRESS					((unsigned char)(0x78))#define		OLED_IIC_SCL_CLK_ENABLE()			__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()
#define		OLED_IIC_SCL_PORT					GPIOD
#define		OLED_IIC_SCL_PIN					GPIO_PIN_13#define		OLED_IIC_SDA_CLK_ENABLE()			__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()
#define		OLED_IIC_SDA_PORT					GPIOD
#define		OLED_IIC_SDA_PIN					GPIO_PIN_15#define		OLED_WRITE_SCL(x)		do{HAL_GPIO_WritePin(OLED_IIC_SCL_PORT, OLED_IIC_SCL_PIN, (GPIO_PinState)(x));}while(0)
#define		OLED_WRITE_SDA(x)		do{HAL_GPIO_WritePin(OLED_IIC_SDA_PORT, OLED_IIC_SDA_PIN, (GPIO_PinState)(x));}while(0)

        定义了这个设备的从机地址，连接的端口和引脚，还有两个宏函数。

        OLED_WRITE_SCL(x)。当x为1时，即把SCL拉高，写0就拉低。SDA也同理。这样编写方便后续代码的使用。

4.2.2GPIO的初始化

        首先打开时钟，然后配置两个GPIO引脚，注意，要配置成上拉电阻模式和开漏输出模式。速度，作者使用的低速，可以正常使用。写入初始值，都是高电平就行。

/*** @brief       OLED引脚初始化函数* @param       无* @retval      无*/
void oled_gpio_init(void)
{/*	1.打开时钟	*/OLED_IIC_SCL_CLK_ENABLE();OLED_IIC_SDA_CLK_ENABLE();/*	2.配置GPIO	*/GPIO_InitTypeDef gpio_initure = {0};gpio_initure.Pin = OLED_IIC_SCL_PIN;			//SCL线gpio_initure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;		//开漏输出模式gpio_initure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;		//低速gpio_initure.Pull = GPIO_PULLUP;				//上拉电阻HAL_GPIO_Init(OLED_IIC_SCL_PORT, &gpio_initure);gpio_initure.Pin = OLED_IIC_SDA_PIN;			//SDA线HAL_GPIO_Init(OLED_IIC_SDA_PORT, &gpio_initure);/*	3.写入初始值	*/HAL_GPIO_WritePin(OLED_IIC_SCL_PORT, OLED_IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(OLED_IIC_SDA_PORT, OLED_IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET);
}

4.2.3起始条件

        对应之前介绍的起始条件的时序图，编写代码就好。在SCL为高电平的时候，SDA从高电平置为低电平。这里也不用延时，因为每条代码在执行时也是要花费时间的，所以是有电平变化的过程的。无需担心。

/*** @brief       OLED的IIC开始信号* @param       无* @retval      无*/
void oled_iic_start(void)
{OLED_WRITE_SCL(1);   // 1. 拉高 SCL 时钟线OLED_WRITE_SDA(1);   // 2. 拉高 SDA 数据线OLED_WRITE_SDA(0);   // 3. 拉低 SDA 数据线（产生下降沿）OLED_WRITE_SCL(0);   // 4. 拉低 SCL 时钟线，释放总线以便后续操作
}

4.2.4停止条件

        拉高SCL，然后SDA从低电平置为高电平。

/*** @brief       OLED的IIC停止信号* @param       无* @retval      无*/
void oled_iic_stop(void)
{OLED_WRITE_SCL(1);   // 1. 拉高 SCL 时钟线OLED_WRITE_SDA(0);   // 2. 拉低 SDA 数据线OLED_WRITE_SDA(1);   // 3. 拉高 SDA 数据线（产生上升沿）
}

4.2.5检测应答信号

        当发送方发送了1字节数据之后，接受方要做出应答，发送方检测应答信号，就知道通信是否正常。

/*** @brief       检测从设备是否发送 ACK 应答* @param       无* @retval      0 表示收到 ACK，1 表示收到 NACK*/
unsigned char oled_iic_check_ack(void)
{unsigned char ack;OLED_WRITE_SDA(1);   // 释放 SDA，使其可以被从设备拉低OLED_WRITE_SCL(1);   // 拉高 SCL，进入第 9 个时钟周期ack = OLED_READ_SDA();  // 读取 SDA 状态OLED_WRITE_SCL(0);      // 拉低 SCL，完成 ACK 检测return ack;  // 返回 0 表示 ACK，1 表示 NACK
}

4.2.6发送应答信号和非应答信号

        当主机接收到1字节数据时要发送一个应答信号，告知从机，我收到了数据。当主设备要停止读取时，就发一个非应答信号，然后发送STOP结束这一次通信。

/*** @brief       主设备发送 ACK 应答（继续读取下一个字节）* @param       无* @retval      无*/
void oled_iic_send_ack(void)
{OLED_WRITE_SDA(0);   // 拉低 SDA，表示 ACKOLED_WRITE_SCL(1);   // 拉高 SCLOLED_WRITE_SCL(0);   // 拉低 SCL，结束 ACKOLED_WRITE_SDA(1);   // 释放 SDA（为下一次通信做准备）
}/*** @brief       主设备发送 NACK 应答（停止读取）* @param       无* @retval      无*/
void oled_iic_send_nack(void)
{OLED_WRITE_SDA(1);   // 拉高 SDA，表示 NACKOLED_WRITE_SCL(1);   // 拉高 SCLOLED_WRITE_SCL(0);   // 拉低 SCL，结束 NACKOLED_WRITE_SDA(1);   // 释放 SDA
}

4.3测试代码

        上面的程序代码不完整，但是经过作者的测试，可以成功驱动oled屏幕。我会附上完整的代码供学习参考。

5.硬件IIC代码

正在制作中，敬请期待.......