解码内部集成电路（IIC）与OLED屏

内部集成电路（IIC/I2C）

基本概念

• 英文全称Inter Integrated Circuit，简称IIC或I2C，是半双工同步串行通信接口协议
• 1982年由飞利浦公司（现恩智浦半导体）设计推出
• 设计初衷：为微控制器（MCU）与外围芯片提供简洁、可靠、低成本的通信方案，简化硬件设计和系统集成

引脚说明

• 仅需两根引脚即可通信，硬件设计简洁：
  • 数据线（SDA，Serial Data）：传输实际数据信息
  • 时钟线（SCL，Serial Clock）：同步数据传输的时序控制
• 所有支持IIC接口的外围设备（传感器、存储器等）可直接挂载在两根总线上
• 支持多机通信架构：
  • 主从结构：单一主设备控制多个从设备
  • 多主结构：多个主设备协同工作
• 核心机制：通过地址识别和仲裁机制实现设备间有序通信

总线结构

• 采用开漏输出结构，可实现多设备双向通信与总线仲裁，避免电平冲突
• 连接方式：所有外围器件的SCL和SDA均挂载在主控芯片提供的IIC总线上，形成共享信号通道
• 空闲状态：上拉电阻将SCL和SDA均拉至高电平，总线处于待命状态，随时响应起始条件

线与逻辑

• 多设备共享同一总线，某设备输出低电平时总线被拉低
• 仅当所有设备释放总线（输出高阻态），上拉电阻才将总线恢复高电平
• 核心作用：是IIC多主设备通信的基础，实现总线冲突检测与仲裁，保证数据传输有序性，简化硬件设计、降低系统成本

仲裁过程

当两个或多个主设备同时尝试发起通信时，仲裁过程如下：

• ‌同时启动‌：假设主设备A和主设备B同时检测到总线空闲，并开始发送各自的起始条件和设备地址。
• ‌逐位比对‌：在每一个时钟周期（SCL为高电平时），两个设备会同时在SDA线上输出一位数据，并立即采样SDA线的实际电平。
• ‌仲裁失败判定‌：‌如果一个设备试图发送逻辑“1”（即释放SDA，让上拉电阻拉高），但采样到的总线电平为逻辑“0”，则说明有另一个设备正在发送逻辑“0”并成功拉低了总线。此时，试图发送“1”的设备立即判定为仲裁失败。‌‌12
• ‌失败方退出‌：仲裁失败的设备会立即停止驱动SCL和SDA总线，转为监听模式，不再发送任何时钟或数据，以避免干扰胜出方的通信。‌1
• ‌胜出方继续‌：仲裁成功的设备会继续完成其完整的通信过程（发送地址、读写数据、停止条件等），整个过程对胜出方来说是透明且无中断的。‌1
• ‌失败方重试‌：仲裁失败的设备在检测到总线再次变为空闲后，可以重新尝试发起通信。

通信速率

• 支持多种速率，适配不同场景：
  • 标准速率：100KHZ（满足多数基本控制和配置需求）
  • 快速速率：400KHZ（适用于高性能外围器件的高速应用场景）
• 通信机制：半双工，同一时间仅能执行接收或发送操作，无法双向同时传输
• 适用场景：侧重控制指令传输（设备控制、传感器读取、配置管理），不适合大规模数据交换

通信过程与时序分析

通信流程

• 主机生成开始信号
• 主机发送从设备地址（7位或10位）+ 读写控制位（bit0=0写操作，bit0=1读操作）
• 从设备识别地址后应答，主机开始传输或接收数据
• 数据传输完成后，主机生成停止信号，通信结束

空闲状态

• SCL时钟线和SDA数据线均为高电平，由IIC总线的上拉电阻拉高

开始条件

• SCL处于高电平期间，将SDA数据线的电平拉低，标志通信开始

传输数据

• 时序同步方式：IIC以时钟脉冲的电平进行同步（区别于SPI的边沿同步）
• 数据稳定性要求：
  • SCL低电平期间：SDA可切换电平（准备下一位数据）
  • SCL高电平期间：SDA必须保持稳定（确保数据可靠读取）
• 传输规则：以字节为单位传输，MSB（高位）在前，需持续8个时钟脉冲

应答条件

• 时序位置：字节传输8个时钟周期后，第9个时钟脉冲期间
• 应答标志：接收方将SDA拉低表示应答（ACK），保持高电平表示非应答（NACK）
• 控制方式：应答位可通过软件使能或禁止

停止条件

• SCL处于高电平期间，将SDA数据线的电平拉高，标志通信结束

器件地址

• 常规格式：7位二进制数（数据手册明确标注）
• 扩展格式：10位二进制数（需占用两个字节传输）
• 地址类型：包括设备自身地址和广播呼叫地址（广播呼叫地址检测可通过软件使能/禁止）
• 作用：实现多设备识别，确保数据准确传输到目标设备

时序模拟

• 硬件限制：MCU内部硬件IIC接口数量有限（如部分MCU仅3个）
• 两种实现方式：
  • 硬件IIC：使用专用IIC引脚，需复用引脚功能并配置初始化
  • IO口模拟IIC：通过普通IO口模拟IIC时序，不受硬件接口数量限制，可移植性更高

代码（此处为了理解时序，引脚配置为推挽，实际要配置为开漏）

/* Private define ————————————————————*/
// 引脚定义 自行选择要用的引脚 此处不做定义
#define IIC_SDA_PIN
#define IIC_SDA_GPIO_PORT
#define IIC_SDA_GPIO_CLK

#define IIC_SCL_PIN
#define IIC_SCL_GPIO_PORT
#define IIC_SCL_GPIO_CLK

// IIC引脚电平操作
#define IIC_SDA_LOW() GPIO_ResetBits(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_PIN)
#define IIC_SDA_HIGH() GPIO_SetBits(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_PIN)

#define IIC_SCL_LOW() GPIO_ResetBits(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_PIN)
#define IIC_SCL_HIGH() GPIO_SetBits(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_PIN)

#define IIC_SDA_READ() GPIO_ReadInputDataBit(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_PIN)

/* Private functions ———————————————————*/
/**
* @brief IIC底层GPIO初始化
* @param None
* @retval None
*/
void IIC_LowLevel_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 使能GPIO时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(IIC_SDA_GPIO_CLK | IIC_SCL_GPIO_CLK , ENABLE);

// IIC引脚配置（推挽输出+上拉，符合IIC总线规范）
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉

// SDA引脚配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IIC_SDA_PIN;
GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

// SCL引脚配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IIC_SCL_PIN;
GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

// 总线空闲状态：SDA/SCL均为高
IIC_SDA_HIGH();
IIC_SCL_HIGH();
delay_us(10); // 初始延时
}

/**
* @brief IIC SDA引脚模式切换（输出/输入）
* @param Mode: 引脚模式（GPIO_Mode_OUT/GPIO_Mode_IN）
* @retval None
*/
void IIC_SDAPinModeSet(GPIOMode_TypeDef Mode)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_AHB1PeriphClockCmd(IIC_SDA_GPIO_CLK, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = Mode;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IIC_SDA_PIN;
GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

/**
* @brief IIC起始信号（SCL高时，SDA从高拉低）
* @param None
* @retval None
*/
void IIC_Start(void)
{
IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_OUT);

IIC_SDA_HIGH();
IIC_SCL_HIGH();
delay_us(5); // 时序延时，保证总线稳定

IIC_SDA_LOW();
delay_us(5);

IIC_SCL_LOW();
}

/**
* @brief IIC停止信号（SCL高时，SDA从低拉高）
* @param None
* @retval None
*/
void IIC_Stop(void)
{
IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_OUT);

IIC_SCL_LOW();
IIC_SDA_LOW();
delay_us(5);

IIC_SCL_HIGH();
delay_us(5);

IIC_SDA_HIGH();
delay_us(5);
}

/**
* @brief IIC发送1字节数据（MSB先行）
* @param byte: 待发送字节
* @retval None
*/
void IIC_Send(uint8_t byte)
{
uint8_t cnt = 0;
IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_OUT);

for(cnt=0; cnt<8; cnt++)
{
IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);

// 输出当前位（最高位先行）
if(byte & 0x80)
IIC_SDA_HIGH();
else
IIC_SDA_LOW();
delay_us(2);

byte <<= 1;

IIC_SCL_HIGH();
delay_us(2);
}

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);
}

/**
* @brief 检测IIC从机应答
* @param None
* @retval true: 应答成功 false: 无应答
*/
bool IIC_IsACK(void)
{
bool status = false;

IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_IN); // 切换为输入模式读应答
delay_us(2);

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);

IIC_SCL_HIGH();
delay_us(2);

// 从机应答：SDA拉低
if(!IIC_SDA_READ())
status = true;
else
status = false;

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);
return status;
}

/**
* @brief 主机发送应答/非应答
* @param ack: 0=应答 1=非应答
* @retval None
*/
void IIC_SendAck(uint8_t ack)
{
IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_OUT);

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);

if(ack)
IIC_SDA_HIGH(); // 非应答
else
IIC_SDA_LOW(); // 应答
delay_us(2);

IIC_SCL_HIGH();
delay_us(2);

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);
}

/**
* @brief IIC读取1字节数据（MSB先行）
* @param None
* @retval 读取到的字节
*/
uint8_t IIC_Read(void)
{
uint8_t cnt = 0;
uint8_t data = 0;

IIC_SDAPinModeSet(GPIO_Mode_IN);

for(cnt=0; cnt<8; cnt++)
{
IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);

IIC_SCL_HIGH();
delay_us(2);

data <<= 1;
data |= IIC_SDA_READ(); // 读取当前位
delay_us(1);
}

IIC_SCL_LOW();
delay_us(2);
return data;
}

OLED屏的原理与应用

基本概念

• 英文全称Organic Light Emitting Diode（有机发光二极管）
• 核心特性：自发光（无需背光）、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可挠曲、使用温度范围广、构造及制程简单
• 0.96寸OLED屏关键参数：
  • 分辨率：128*64
  • 颜色选项：黄蓝（1/4黄光+3/4蓝光，固定区域）、纯白（黑底白字）、纯蓝（黑底蓝字）
  • 接口方式：5种（6800并行、8080并行、3线SPI、4线SPI、IIC），通过屏上BS0~BS2引脚配置
  • 模块类型：七针SPI/IIC兼容模块、四针IIC模块

驱动芯片

• 主流芯片：SSD1306（本屏所用）

• 核心特点：内置升压功能，无需额外设计升压电路（也支持外部升压，参考数据手册）

• 存储结构：每页128字节，共8页，刚好匹配128**64点阵*

  

• 与SSD1106的区别：

  • SSD1106每页132字节，共8页
  • 移植注意：用0.96寸OLED移植1.3寸（SSD1106）程序时，需将显示地址向右偏移2，否则右侧4个像素点显示异常

器件地址

• IIC从设备地址：默认0x78（7位地址）
• 地址构成：011110 + SA0 + R/W#
  • SA0位：地址扩展位，可选择0111100（0x78）或0111101（0x79），由D/C#引脚控制
  • R/W#位：操作模式选择，R/W#=1为读模式，R/W#=0为写模式
• 硬件要求：SDA和SCL引脚需连接上拉电阻

硬件接线

• 核心引脚：VCC（电源）、GND（地）、SCL（IIC时钟线）、SDA（IIC数据线）
• 接线原则：按模块引脚定义与MCU的IIC引脚（或模拟IIC的IO口）对应连接，确保电源电压匹配（参考模块数据手册）

点击此处获取移植代码 效果

取模操作

取模软件

需使用专用字模软件生成汉字、图片的点阵数据，存入字模库（oledfont.h）

图片取模参数

汉字取模参数