STM32 HAL库F103系列之IIC实验

IIC总线协议

IIC总线协议介绍

IIC：Inter Integrated Circuit，集成电路总线，是一种同步串行半双工通信总线。

总线就是传输数据通道

协议就是传输数据的规则

IIC总线结构图

① 由时钟线SCL和数据线SDA组成，并且都接上拉电阻，确保总线空闲状态为高电平

② 总线支持多设备连接，允许多主机存在，每个设备都有一个唯一的地址

③ 连接到总线上的数目受总线的最大电容400pf限制

④ 数据传输速率：标准模式100k bit/s 快速模式400k bit/s 高速模式3.4Mbit/s

起始信号

void iic_start(void)
{ /* SCL为高电平期间, SDA从高电平往低电平跳变*/
    	IIC_SDA ( 1 );	
	IIC_SCL ( 1 );
    	iic_delay( );
 	IIC_SDA ( 0 );	
 	iic_delay( );
    	IIC_SCL ( 0 );	
 	iic_delay( );  /* 钳住总线, 准备发送/接收数据 */
}

停止信号

void iic_stop(void)
{ /* SCL为高电平期间, SDA从低电平往高电平跳变*/
    	IIC_SDA ( 0 );	
	iic_delay( );
 	IIC_SCL ( 1 );	
 	iic_delay( );
    	IIC_SDA ( 1 ); 	/* 发送总线停止信号*/
 	iic_delay( );
}

检测应答信号

uint8_t iic_wait_ack (void) /* return 1:fail 0:succeed*/
{	
	IIC_SDA (1);  /* 主机释放SDA线 */
	iic_delay( );
	IIC_SCL (1);  /* 从机返回ACK*/ 	
 	iic_delay( );
	if ( IIC_READ_SDA ) /* SCL高电平读取SDA状态*/ 
	{
		iic_stop();	    /* SDA高电平表示从机nack */ 
		return 1;
	}
	IIC_SCL(0);	 /* SCL低电平表示结束ACK检查 */ 
 	iic_delay( );
	return 0;
}

发送应答信号

void iic_ack(void)
{ 
    	IIC_SCL (0);	
	iic_delay( );
 	IIC_SDA (0);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
 	iic_delay( );
    	IIC_SCL (1); 	
 	iic_delay( );
}

发送非应答信号

void iic_nack(void)
{ 
    	IIC_SCL (0);	
	iic_delay( );
 	IIC_SDA (1);  /* 数据线为高电平,表示非应答 */
 	iic_delay( );
    	IIC_SCL (1); 	
 	iic_delay( );
}

发送1字节数据

void iic_send_byte(uint8_t data)
{
	for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
	{	/* 高位先发 */
		IIC_SDA((data & 0x80) >> 7);
 		iic_delay( );
 		IIC_SCL ( 1 );	
 		iic_delay( );
 		IIC_SCL ( 0 );
		data <<= 1; /* 左移1位, 用于下一次发送 */
	}
	IIC_SDA ( 1 ); 	/* 发送完成,主机释放SDA线 */ 
}

读取1字节数据

uint8_t iic_read_byte (uint8_t ack) /* 1:ack 0:nack*/
{ 
	uint8_t receive = 0 ;
	for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
	{	/* 高位先输出，先收到的数据位要左移 */ 
		receive <<= 1;		
		IIC_SCL ( 1 );	
 		iic_delay( );
		if ( IIC_READ_SDA ) receive++;
 		IIC_SCL ( 0 );
		 iic_delay( );
	}
	if ( !ack ) iic_nack();
	else iic_ack();
	return receive; 	
}

AT24C02

原理图

EEPROM是一种掉电后数据不丢失的储存器，常用来存储一些配置信息，在系统重新上电时就可以加载。

AT24C02是一个2K bit的EEPROM存储器，使用IIC通信方式。

AT24C02：写操作地址（0xA0）读操作地址（0xA1）

AT24C02写时序

AT24C02读时序

IIC配置步骤

1、使能SCL和SDA对应时钟

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

2、设置GPIO工作模式

SDA开漏/SCL推挽输出模式，使用HAL_GPIO_Init初始化

3、编写基本信号

起始信号停止信号应答信号

4、编写读和写函数

iic_read_byte、iic_send_byte

为什么IIC总线SDA建议用开漏模式？

开漏输出的特点：不能输出高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平

IIC的SDA脚即要作为输出，又要作为输入，用开漏输出模式，很好实现输出输入共用，避免IO模式频繁切换带来的麻烦。

输出时：主机（MCU）输出0，可以拉低信号，来实现低电平发送，主机输出1（实际不起作用），由外部上拉电阻上拉，实现高电平发送。

输入时：主机（MCU）设置输出1状态，此时因为MCU无法输出1，相当于释放了SDA脚，此时外部器件可以主动拉低SDA脚/释放SDA脚（同样由上拉电阻提供“输出1的功能”），实现SDA脚的高低电平变化。

由于开漏输出模式下，MCU还是可以读取IDR状态寄存器，来获取引脚高低电平，因此MCU读取IDR，即可获得SDA脚的高低电平状态，从而实现输入检测。

AT24C02配置步骤

1、初始化IIC接口

2、编写写入/读取一个字节数据函数遵循读写时序流程编写

3、编写连续读和连续写函数在2的基础上进行实现

实验：驱动AT24C02实现读和写1字节数据

myiic.c

#include "./BSP/IIC/myiic.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"

void iic_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SCL引脚时钟使能 */
    IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SDA引脚时钟使能 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;            /* 推挽输出 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                    /* 上拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;          /* 高速 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);    /* SCL */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;            /* 开漏输出 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);    /* SDA */
    /* SDA引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了, 开漏输出的时候(=1), 也可以读取外部信号的高低电平 */
}

static void iic_delay(void)
{
    delay_us(2);
}

/* 起始信号 */
void iic_start(void)
{
    /* SCL为高电平期间, SDA从高电平往低电平跳变*/
    IIC_SDA ( 1 );
    IIC_SCL ( 1 );
    iic_delay( );
    IIC_SDA ( 0 );
    iic_delay( );
    IIC_SCL ( 0 );
    iic_delay( );  /* 钳住总线, 准备发送/接收数据 */
}

/* 停止信号 */
void iic_stop(void)
{
    /* SCL为高电平期间, SDA从低电平往高电平跳变*/
    IIC_SDA ( 0 );
    iic_delay( );
    IIC_SCL ( 1 );
    iic_delay( );
    IIC_SDA ( 1 );  /* 发送总线停止信号*/
    iic_delay( );
}

/* 等待应答信号 */
uint8_t iic_wait_ack (void) /* return 1:fail 0:succeed*/
{
    IIC_SDA (1);    /* 主机释放SDA线 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);    /* 从机返回ACK*/
    iic_delay( );
    if ( IIC_READ_SDA ) /* SCL高电平读取SDA状态*/ 
    {
        iic_stop();     /* SDA高电平表示从机nack */ 
        return 1;
    }
    IIC_SCL(0);         /* SCL低电平表示结束ACK检查 */ 
    iic_delay( );
    return 0;
}

/* 应答信号 */
void iic_ack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);
    iic_delay( );
    IIC_SDA (0);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);
    iic_delay( );
}

/* 非应答信号 */
void iic_nack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);
    iic_delay( );
    IIC_SDA (1);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
    iic_delay( );
    IIC_SCL (1);
    iic_delay( );
}

/* 发送一个字节数据 */
void iic_send_byte(uint8_t data)
{
    for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
    {
        /* 高位先发 */
        IIC_SDA((data & 0x80) >> 7);
        iic_delay( );
        IIC_SCL ( 1 );
        iic_delay( );
        IIC_SCL ( 0 );
        data <<= 1;     /* 左移1位, 用于下一次发送 */
    }
    IIC_SDA ( 1 );      /* 发送完成,主机释放SDA线 */ 
}

/* 读取1字节数据 */
uint8_t iic_read_byte (uint8_t ack)
{ 
    uint8_t receive = 0 ;
    for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
    {
        /* 高位先输出，先收到的数据位要左移 */ 
        receive <<= 1;
        IIC_SCL ( 1 );
        iic_delay( );
        if ( IIC_READ_SDA ) receive++;
        IIC_SCL ( 0 );
        iic_delay( );
    }
    if ( !ack ) iic_nack();
    else iic_nack();
    return receive;
}

myiic.h

#ifndef __MYIIC_H
#define __MYIIC_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"


/******************************************************************************************/
/* 引脚 定义 */

#define IIC_SCL_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SCL_GPIO_PIN                GPIO_PIN_6
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */

#define IIC_SDA_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SDA_GPIO_PIN                GPIO_PIN_7
#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */

/******************************************************************************************/

/* IO操作 */
#define IIC_SCL(x)        do{ x ? \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SCL */

#define IIC_SDA(x)        do{ x ? \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SDA */

#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) /* 读取SDA */

void iic_init(void);
void iic_start(void);
void iic_stop(void);
uint8_t iic_wait_ack(void);
void iic_ack(void);
void iic_nack(void);
void iic_send_byte(uint8_t data);
uint8_t iic_read_byte (uint8_t ack);

#endif

24cxx.c

#include "./BSP/IIC/myiic.h"
#include "./BSP/24CXX/24cxx.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"

void at24c02_init(void)
{
    iic_init();
}

void at24c02_write_one_byte(uint8_t addr, uint8_t data)
{
    /* 1、发送起始信号 */
    iic_start();
    
    /* 2、发送通讯地址(写操作地址) */
    iic_send_byte(0xA0);
    
    /* 3、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 4、发送内存地址 */
    iic_send_byte(addr);
    
    /* 5、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 6、发送写入数据 */
    iic_send_byte(data);
    
    /* 7、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 8、发送停止信号 */
    iic_stop();
    
    /* 等待EEPROM写入完成 */
    delay_ms(10);
}

uint8_t at24c02_read_one_byte(uint8_t addr)
{
    uint8_t rec = 0;
    
    /* 1、发送起始信号 */
    iic_start();
    
    /* 2、发送通讯地址(写操作地址) */
    iic_send_byte(0xA0);
    
    /* 3、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 4、发送内存地址 */
    iic_send_byte(addr);
    
    /* 5、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 6、发送起始信号 */
    iic_start();
    
    /* 7、发送通讯地址(读操作地址) */
    iic_send_byte(0xA1);
    
    /* 8、等待应答信号 */
    iic_wait_ack();
    
    /* 9、等待接收数据 */
    rec = iic_read_byte(0);
    /* 10、发送非应答（获取该地址即可） */
    
    /* 11、发送停止信号 */
    iic_stop();
    
    return rec;
}

24cxx.h

#ifndef __24CXX_H
#define __24CXX_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"

void at24c02_init(void);
void at24c02_write_one_byte(uint8_t addr, uint8_t data);
uint8_t at24c02_read_one_byte(uint8_t addr);

#endif

main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./USMART/usmart.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/24CXX/24cxx.h"

int main(void)
{
    uint8_t key;
    uint8_t i = 0;
    uint8_t data = 0;
    
    HAL_Init();                                 /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);         /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                             /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                         /* 串口初始化为115200 */
    led_init();                                 /* 初始化LED */
    key_init();                                 /* 初始化按键 */
    at24c02_init();
    
    while (1)
    {
        key = key_scan(0);

        if (key == KEY1_PRES)
        {
            at24c02_write_one_byte(100, 66);
            printf("write data \r\n");
        }

        if (key == KEY0_PRES)
        {
            data = at24c02_read_one_byte(100);
            printf("read data:%d \r\n", data);
        }

        i++;

        if (i % 20 == 0)
        {
            LED0_TOGGLE();  /* 红灯闪烁 */
            i = 0;
        }

        delay_ms(10);
    }
}