STM32的集成电路总线I2C

news2024/10/5 12:46:54

一、I2C简介

1.I2C总线特点

        （1）两线制

                I2C只需要SDA、SCL两根线来完成数据的传输和外围器件的扩展，器件地址采用软件寻址方式。

        （2）多主机总线

                I2C是一个真正的多主机总线，如果2个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只能有一个主机。

        （3）传输速率

                数据传输速率相对SPI不高，串行的8位双向数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。

        （4）传输方式

                是同步半双工通信机制，总线上传输数据的最小单位是1个字节（8bit），高位先行，每传送完1个字节，接收器必须发送一个应答位。

2.I2C总线术语

  • 主机：初始化发送，产生时钟信号和终止发送的器件。
  • 从机：被主机寻址的器件。
  • 多主机：同时有多于一个主机尝试控制总线，但不破坏信息。
  • 仲裁：是在一个有多个主机同时尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使信息不被破坏的过程。
  • 同步：两个或多个器件同步时钟信号的过程。
  • 地址：主机用于区分不同从机而分配的地址。
  • SDA：I2C通信时用于数据传输的信号线。
  • SCL：I2C通信时用于时钟传输的信号线。

3.I2C硬件构成

         将所有I2C设备的SDA线连在一起、SCL线连在一起，两线均要配置成开漏输出模式，SDA、SCL各接一个上拉电阻，一般为4.7KΩ左右。

4.位传输

        （1）数据有效性

        I2C总线以串行方式传输数据，数据传输是按照时钟节拍进行的。协议标准规定，SCL为高电平时，SDA上的数据必须保持不变；SCL为低电平时，SDA的电平状态才能改变。即SCL为高电平时数据有效。

        （2）起始信号和停止信号

        协议规定，SCL为高电平 时，SDA产生下降沿，表示起始信号，SDA产生上升沿，表示停止信号。

        （3）重复开始信号

        在I2C总线上，由主机产生一个起始信号后，在产生一个停止信号之前，再产生一个起始信号，称为重复起始信号。

        （4）应答信号和非应答信号

        协议规定，发送器每发送一个字节数据，接收器必须产生一个应答信号或非应答信号。实现方法是：发送器发送完8位数据后，在第9个时钟信号将SDA线拉高，接收器将SDA拉低，产生一个应答信号，或者保持SDA为高，产生一个非应答信号。

5.数据传输格式

        一般情况下，一个标准的I2C通信由4部分组成，起始信号、从机地址传输、数据传输和停止信号，每次通信的数据字节数是没有限制的。

        （1）I2C总线寻址约定

                I2C采用软件方法实现从机寻址来简化总线连接，协议规定了起始信号后的第1个字节为寻址字节。I2C总线支持7位寻址模式和10位寻址模式。常用的7位寻址模式中，寻址字节由从机的7位地址位（D7~D1)和1位读写位(D0)组成，D0=1为读，D0=0为写。

        （2）数据传输模式

                主机从从机读N个字节：主机产生一个起始信号，然后发送一个寻址字节，读写位置1表示读，主机拉高SDA。从机检测到与自己相同的地址，产生一个应答信号。之后从机开始发送数据，每发送一个字节数据，主机产生一个应答信号。当数据传输完毕，主机产生一个非应答信号结束数据传输，主机产生一个停止信号结束通信，或者产生一个重复起始信号进入下一次数据传输。

                主机向从机写N个字节：主机产生一个起始信号，然后发送一个寻址字节，读写位置0表示写，主机拉高SDA。从机检测到与自己相同的地址，产生一个应答信号。之后主机开始发送数据，每发送一个字节数据，从机产生一个应答信号。当数据传输完毕，从机产生应答或非应答信号均可，此时主机再产生一个停止信号结束通信，或者产生一个重复起始信号进入下一次数据传输。

                主机指定地址从从机读N个字节：当主机在访问类似存储器器件（如EEPROM，一种掉电后数据不丢失的存储芯片）时，主机除了发送寻址字节来选择从机外，还要发送从机的存储地址来选择读写的位置。实际上很多器件、模块都有多个寄存器，都要指定相应的寄存器才能读取所需的数据。实现方法是先写后读，具体步骤是在上述读的基础上，在读之前先写存储地址，需要用到重复起始信号（本质就是一个起始信号）。具体如图所示：

                主机指定地址向从机写N个字节：类似的，需要指定存储位置再进行写操作，具体如下： 

二、STM32的I2C外设

        STM32的I2C外设具有4种工作模式：主发送器模式、主接收器模式、从发送器模式、从接收器模式。其重要特征如下：

  • 支持不同的通信速度。标准速度高达100KHz，快速高达400KHz。
  • 完善的通信功能。可由硬件自动执行时钟生成、起始和终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻CPU的负担。
  • 完善的错误监测。主模式时的仲裁丢失，地址/数据传输后的应答错误，检测到错位的起始或停止条件，禁止拉长时钟功能时的上溢或下溢。
  • 具有2个中断向量。一个用于地址/数据通信中断，一个用于通信出错中断。
  • 具有单字节缓冲器的DMA。
  • 兼容系统管理总线（SMBus）。

        STM32的I2C内部结构如图所示：

三、STM32 I2C外设的通信方式

        1.I2C主模式

                STM32的I2C模块作为主机使用，启动数据传输并产生时钟信号。

         （1）主模式发送

                I2C主模式发送示意图如图所示：

                在使用STM32的I2C外设时，需要遵循上图中的时序逻辑，等待相应事件的发生再执行下一步，各事件的意义说明如下：

  • EV5: 表示已检测到起始条件,可以开始发送寻址字节。
  • EV6:表示已发送从机地址，且已检测到从机的应答。
  • EV8_1:表示数据寄存器为空且上一个数据字节的传输已经完成，这意味着可以发送下一个数据字节。
  • EV8:表示数据寄存器为空，可以发送数据。
  • EV8_2:表示从机成功接收到主机发出的数据字节并发出应答信号，表明从机已准备好接收下一个数据字节。
  • EV9:暂不说明。
        （2）主模式接收 

                I2C主模式接收示意图如图所示：

                同样的，使用STM32的I2C外设时需要遵循上图中的时序逻辑，各事件的说明如下：

  • EV5: 表示已检测到起始条件,可以开始发送寻址字节。
  • EV6:表示已发送从机地址，且已检测到从机的应答。
  • EV7：表示数据寄存器不为空，即接收到了数据。
  • EV8_2:表示从机成功接收到主机发出的数据字节并发出应答信号，表明从机已准备好接收下一个数据字节。

        2.I2C从模式

        该模式即STM32的I2C模块作为从机，这里暂不介绍。 

四、STM32 I2C外设使用流程

        虽然不同器件实现的功能不同，但是只要遵循I2C协议，其通信方式都是一样的，配置流程也基本相同。对于STM32，首先要对I2C进行配置，使其能够正常工作，再结合不同器件的驱动程序，完成STM32与不同器件的数据传输。这里只介绍STM32作为主机的使用流程，从机可以是AT24XX系列EEPROM或MPU6050等器件，使用流程和参考代码如下：

  1. 配置GPIO。
  2. 配置I2C。
  3. 编写读取从机数据的函数。
  4. 编写向从机写数据的函数。
void I2C_Init(void)     //初始化STM32的I2C2模块，使其能够使用
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;	        //将PB10和PB11引脚初始化为复用
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;//开漏输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);				 
                                                            
	

	I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;						
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;				//模式，选择为I2C模式
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;				//时钟速度，选择为50KHz
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;		//时钟占空比，选择占空比为1/3
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;				//应答，选择使能
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;	
                                                   //应答地址，选择7位，从机模式下才有效
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;				//自身地址，从机模式下才有效
	I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);	
	
	I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);									//使能I2C2，开始运行
}



void Write_Byte(uint8_t 存储地址, uint8_t Data)  //向从机写一个字节数据，存储地址不一定为8位
{
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										
    //产生起始条件
    
	while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS);	
    //等待EV5，即等待检测到起始条件

	I2C_Send7bitAddress(I2C2, 从机地址, I2C_Direction_Transmitter);	
    //发送从机地址

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);
	//等待EV6，即等待发送从机地址并受到从机应答信号
	
	I2C_SendData(I2C2, 存储地址);											
    //发送存储地址

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS);			
    //等待EV8，即等待数据寄存器为空，可以发送数据
	
	I2C_SendData(I2C2, Data);												
    //发送数据

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS);				
    //等待EV8_2，即等待从机接收到数据并传回应答信号
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											
    //产生停止信号
}

uint8_t Read_Byte(uint8_t 数据所在地址) //从从机读取一个字节数据，数据所在地址不一定为8位
{
	uint8_t Data;
    //用于暂存数据
	
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										
    //产生起始条件

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS);
    //等待EV5，即等待检测到起始条件
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, 从机地址, I2C_Direction_Transmitter);	
    //发送从机地址

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);
    //等待EV6，即等待发送从机地址并受到从机应答信号
	
	I2C_SendData(I2C2, 数据所在地址);											
    //发送从机的数据所在地址

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS);
    //等待EV8_2，即等待从机接收到数据并传回应答信号
	
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										
    //产生重复起始条件

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS);					
    //等待EV5，即等待检测到起始条件
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);		
    //发送从机地址

    while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);
    //等待EV6，即等待发送从机地址并受到从机应答信号
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);									
    //在接收最后一个字节之前提前将应答失能，之后从机不再传输数据

	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											
    //在接收最后一个字节之前提前申请停止条件

	while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS);			
    //等待EV7，即等待数据寄存器不为空，收到了数据

	Data = I2C_ReceiveData(I2C2);											
    //将接收到的数据存到Data变量中
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);									
    //将应答恢复为使能，为了不影响后续可能产生的读取多字节操作
	
	return Data;
}

代码仅供参考，具体使用需要结合相关从机器件的开发文档。

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