开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> 嵌入式 -> 11. STM32——I2C -> 正文阅读

[嵌入式]11. STM32——I2C

IIC协议简介

IIC通讯协议(Inter----Integrted Circuit)是由Phiips飞利浦公司开发的，
由于他引脚少，硬件实现简单，可拓展性强，不需要UASRT,CAN通讯协议的外部收发设备，现在被广泛使用在系统内多个集成电路IC（芯片）间的通讯。
半双工的通讯方式 IIC通讯协议(Inter----Integrted Circuit)是由Phiips飞利浦公司开发的，
由于他引脚少，硬件实现简单，可拓展性强，不需要UASRT,CAN通讯协议的外部收发设备，现在被广泛使用在系统内多个集成电路IC（芯片）间的通讯。
半双工的通讯方式

IIC总线系统结构

他是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线，在一个IIC通讯总线中，可连接多个IIC通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
一个IIC总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备直接的访问。

在这里插入图片描述

IIC总线物理层特点

总线通过上拉电阻接到电源。当IIC设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态，由上拉电阻把总线拉成高电平。

多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定哪个设备占用总线。
具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4M/s，但目前大多IIC设备尚不支持高速模式。

IIC总线

硬件IIC

对应芯片上的IIC外设，有相对应的IIC驱动电路，其所使用的IIC管教也是专用的；

软件IIC

一般是用GPIO管教，用软件控制管脚状态以及模拟IIC通信波形；

区别

硬件IIC的效率要远高于软件的，而软件IIC不受引脚限制，接口比较灵活。
软件IIC是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式，而硬件IIC是直接调用内部寄存器进行配置。如果要从具体硬件上来看，可以去看下芯片手册。因为固件IIC的端口是固定的，所以会有所区别。

如何区分

硬件IIC用法复杂，模拟IIC流程更加清楚
硬件IIC速度比模拟快，并且可以用DMA
模拟IIC可以在任何管脚上，硬件IIC在固定管脚上

IIC总线协议层

IIC的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

① 空闲状态
② 开始信号
③ 停止信号
④ 应答信号
⑤ 数据的有效性
⑥ 数据传输

1. 空闲状态

IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定位总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

2. 开始信号

起始信号：当SCL为高电平期间，SDA有高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

3. 停止信号

停止信号：当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种高电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

起始信号和停止信号一般由主机产生

在这里插入图片描述

4. 应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应答位)
表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位(NACK)，一般表示接收器接收该字节没有成功。

对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第九个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。

在这里插入图片描述

5. 数据的有效性

IIC总线进行数据传输时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

即：SDA数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好,并在下降沿到来之前必须稳定。

在这里插入图片描述

6. 数据传输

在IIC总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应(或同步控制)，即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

STM32的IIC特性及架构

软件模拟协议

使用CPU直接控制通讯引脚的电平，产生出符合通讯协议标准的逻辑。

硬件实现协议

由STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

STM32的IIC外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s和400Kbits/s的速率，支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。

① 通讯引脚
② 时钟控制逻辑
③ 数据控制逻辑
④ 整体控制逻辑

在这里插入图片描述

1. 通讯引脚

STM32芯片有多个IIC外设，它们的IIC通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置这些指定的引脚。

在这里插入图片描述

2. 时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号，由IIC接口根据时钟控制寄存器（CCR）控制，控制的参数主要位时钟频率。

可选择IIC通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别对应100/400Kbits/s的通讯速率。

在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选T(low)/T(high) = 2或T(low)/T(high)=16/9模式。

CCR寄存器中12位的配置因子CCR，它与IIC外设的输入时钟源共用作用，产生SCL时钟。STM32的IIC外设输入时钟源位PCKL1。

计算时钟频率

标准模式：

T high = CCR T pckl1 T low= CCRTpclk1

快速模式中 Tlow/Tlow =2时：

Thigh = CCRTpckl1 T low = 2low*Tpckl1

快速模式中 Tlow/Tlow =16/9时：

Thigh = 9CCRTpckl1 T low = 16lowTpckl1

PCLK1 = 36MHz,想要配置400Kbits/s 方法：

PCLK时钟周期：TPCLK1 = 1/36 000 000
目标SCL时钟周期：TSCL = 1/400 000
SCL时钟周期内的高电平时间：Thigh = TSCL/3
SCL时钟周期内的低电平时间：Tlow = 2*TSCL/3
计算CCR的值：CCR = THIGH/TPCLK1 = 30
计算出来的值写入到寄存器即可

3. 数据控制逻辑

IIC的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。

当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去。
当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到”数据寄存器”中。

STM32的IIC的通讯过程

使用IIC外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对”状态寄存器(SR1和SR2)”的不同数据位写入参数，通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器通讯过程

在这里插入图片描述

控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件"EV5"，并会对SR1寄存器的 SB 位置1，表示起始信号已经发生。
发生设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生时间 EV6 及 EV8，这时SR1寄存器的 ADDR位及 TXE位被置1，ADDR位1 表示地址已经发送，TEX表示数据寄存器为空。
往IIC的数据寄存器DR写入要发送的数据，这时TXE位会被充值0，表示数据寄存器非空，IIC外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生EV8事件，即TXE被置1，重复这个过程，可发送多个字节。
发送数据完成后，控制IIC设备产生一个停止信号P，这个时候产生EV8_2事件，SR1的TEX位及BTF位被置1，表示通讯结束。

STM32的IIC结构体

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;          //设置SCL时钟频率，此值要低于400 000                                              
  uint16_t I2C_Mode;                //指定工作模式，可选IIC模式及SMBUS模式
  uint16_t I2C_DutyCycle;           //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9
  uint16_t I2C_OwnAddress1;         //自身的IIC设备地址   
  uint16_t I2C_Ack;                 //使能或者关闭响应，一般是使能
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度，可为7或10
}I2C_InitTypeDef;

I2C_ClockSpeed //设置SCL时钟频率，此值要低于400 000

设置IIC的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到IIC的时钟控制寄存器CCR。而我们写入的这个参数值不得高于400Khz。

实际上由于CCR寄存器不能写入小数类型的时钟因子，影响到SCL的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯会稍微慢点以外，不会对IIC的标准通讯造成其他影响。

I2C_Mode //指定工作模式，可选IIC模式SMBUS模式

选择IIC的使用方式，有IIC模式（IIC_Mode_IIC）和SMBus主、从模式(IIC_Mode_SMBusHost、IIC_Mode_SMBusDevice)

IIC不需要在此处区分主从模式，直接设置IIC_Mode_IIC即可。

I2C_DutyCycle //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9

设置IIC的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为

2：1(IIC_DutyCycle_2) 和 16：9（IIC_DutyCycle_16_9）

其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以了。

I2C_OwnAddress1 //自身的IIC设备地址

配置STM32的IIC设备自己的地址，每个连接到IIC总线上的设备都有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可以设置为7位或10位（受下面IIC_AcknowledgeAddress成员决定），只要该地址是IIC总线上唯一的即可。

STM32的IIC外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构体成员IIC_OwnAddress1配置的是默认的，OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用
IIC_OwmAddress2Conig函数来配置，OAR2不支持10位地址。

I2C_Ack //使能或者关闭响应，一般是使能

配置IIC应答是否使能，设置位使能则可以发送响应信号，一般配置位允许应答(IIC_Ack_Enable)，这是绝大多数遵循IIC标准的设备的通讯要求，改为禁止应答（IIC_Ack_Disable）往往会导致通讯错误。

I2C_AcknowledgedAddress //指定地址长度，可为7或10

选择IIC的寻址模式是7位或者是10位地址，这需要根据实际连接到IIC总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到IIC_OwnAddress成员，只有这里设置成10位模式时，IIC_OwnAddress1才支持10位地址

配置完这些结构体成员的值，调用库函数IIC_Init就可以把结构体的配置写入到对应的寄存器中了。

STM32的IIC库函数

//配置自身设备地址2
void I2C_OwnAddress2Config(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address);

//发送设备地址
void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);

//接收数据
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);

//停止接收
void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);

//IIC外设开始正常工作
void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);

配置I2C

配置GPIO

		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
		I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
	
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
		
		//PB6——SCL PB7——SDA
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
		
		GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

配置I2C

		I2C_DeInit(I2C1);
		I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
		I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
		I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 400000;
		I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
		I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
		I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x30;
		
		I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
		I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);

整合

#include "oled.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "SysTick.h"
#include "codetab.h"

//初始化硬件IIC引脚
void I2C_Configuration(void)
{
		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
		I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
		
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
		
		//PB6——SCL PB7——SDA
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_OD;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
		
		GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
		
		I2C_DeInit(I2C1);
		I2C_InitStructure.I2C_Ack                 = I2C_Ack_Enable;
		I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
		I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed          = 400000;
		I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle           = I2C_DutyCycle_2;
		I2C_InitStructure.I2C_Mode                = I2C_Mode_I2C;
		I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1         = 0x30;
		
		I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
		I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

//向OLED寄存器地址写一个byte的数据
void I2C_WriteByte(uint8_t addr,uint8_t data)
{
		while( I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY) );
		I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
		
		while( !I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) );
		I2C_Send7bitAddress(I2C1, OLED_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
		
		while( !I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) );
		I2C_SendData(I2C1, addr);
		
		while( !I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) );
		I2C_SendData(I2C1, data);
		
		while( !I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) );
		I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}