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STM32學習筆記（8）——I2C匯流排裝置

阿新 • • 發佈：2021-07-12
目錄

一、I2C協議簡介

I2C通訊協議 (Inter-Integrated Circuit，讀作I平方C、I方C) 是由Phiilps公司開發的，由於它引腳少，硬體實現簡單，可擴充套件性強，不需要USART、CAN等通訊協議的外部收發裝置，現在被廣泛地使用在系統內多個積體電路間的通訊。

1. 物理層

（感謝野火的PPT，一部分內容參考了野火）如下圖所示即為I2C的物理層：

下面來簡要介紹物理層需要了解的知識點：

  • 匯流排： 多個裝置共用的訊號線，有兩條：一條雙向序列資料線 (SDA)，一條序列時鐘線 (SCL)。
  • 主機和從機： 總線上掛載著多個通訊主機和通訊從機，每個連線到匯流排的從機裝置都有獨一無二的通訊地址，主機通過這些地址對從機裝置進行訪問。一般來說，總線上掛載著五六個從機和一個主機就夠用了。
  • 通訊： 當主機與從機正在進行通訊的時候，從機裝置輸出低電平，將匯流排拉成低電平，其他裝置輸出高阻態，不能參與通訊。
  • 上拉電阻： 兩條匯流排均通過上拉電阻連線到電源。當所有從機裝置空閒時，這些裝置會輸出高阻態，由上拉電阻把匯流排拉成高電平，這些裝置就相當於與匯流排斷開了。

如果不是用高阻態表示高電平而是用接地表示，那麼當一個裝置通訊時，這個裝置接電源，整個匯流排通過上拉電阻也接了電源，其他未通訊裝置接地，就把其它裝置短路掉了。

  • 仲裁： 當有多個裝置想跟主機通訊時，為防止資料衝突，會採用仲裁的方式（類似DMA）決定由哪個裝置佔用匯流排。在通訊分點已經說明了一次通訊只能有一個主機和一個從機。
  • 傳輸模式： 標準模式傳輸速率為 100kbit/s，快速模式為 400kbit/s，高速模式下可達 3.4Mbit/s，但目前大多I2C裝置尚不支援高速模式，一般情況下快速模式就已經夠了。
  • 注意： 連線到相同匯流排的 IC 數量受到匯流排的最大電容 400pF 限制。

2. 協議層

這個部分的內容相當重要，它是我們後面寫程式碼的基礎。

（1）主機寫資料到從機

一個數據包的組成如下：

  • 圖例： 條紋框：資料由主機傳輸到從機；白色框：資料由從機傳輸到主機。
  • S（傳輸開始訊號）： 主機向匯流排廣播，說，我要開始通訊了！至於向誰通訊呢？待會再說。
  • SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的裝置！I2C總線上的每個裝置都有自己的獨立地址，主機發起通訊時，通過SDA訊號線傳送裝置地址(SLAVE_ADDRESS)來查詢從機。裝置地址可以是7位或10位。
  • R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個裝置寫入資料，R/W置為0，表示我要寫入！這個裝置，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的資料。
  • A（應答位）： 裝置傳送應答訊號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以工作，你說！
  • DATA（資料）： 主機說，那好我們開始吧！開始傳送資料，一共n位元組。發完以後，主機問，裝置你收到了嗎？裝置說，收到（ACK）！現在寫入資料，併發送一個應答訊號給主機。如此往復，便實現了寫的過程。
  • A（應答位）： 最後一次資料寫入後，裝置說，夠了夠了，不要再寫了，併發送一個非應答訊號（NACK，Not Acknowledged）給主機。
  • P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴裝置，我停止訪問了！於是裝置重新拉回高阻態。

（2）主機由從機讀資料

一個數據包的組成如下：

  • 圖例： 條紋框：資料由主機傳輸到從機；白色框：資料由從機傳輸到主機。
  • S（傳輸開始訊號）： 主機向匯流排廣播，說，我要開始通訊了！至於向誰通訊呢？待會再說。
  • SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的裝置！這個地址是7位或10位長。
  • R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個裝置寫入資料，R/W置為1，表示我要讀資料！這個裝置，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的資料。
  • A（應答位）： 裝置傳送應答訊號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以工作了！
  • DATA（資料）： 裝置接著開始傳送資料給主機，一共n位元組。發完以後，裝置問，主機你收到了嗎？主機說，收到（ACK）！如此往復，便實現了讀的過程。
  • A（應答位）： 最後一次讀資料後，主機說，我不想再讀了，併發送一個非應答訊號（NACK，Not Acknowledged）給裝置。
  • P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴裝置，我停止訪問了！於是裝置重新拉回高阻態。

（3）讀和寫交替進行

這個就是以上讀和寫的複合格式，關鍵在於主機的讀寫位，主機想要讀就用讀的格式，主機想要寫就用寫的格式。

（4）訊號和時鐘的配合

通訊起始和停止

  • 當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始。
  • 當 SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。
  • 起始和停止訊號一般由主機產生。

資料有效性

SDA資料線在SCL的每個時鐘週期傳輸一位資料。

  • 當SCL為高電平時，SDA表示的資料有效，即此時的SDA為穩定高電平時表示資料“1”，為穩定低電平時表示資料“0”。
  • 當SCL為低電平時，SDA的資料無效，一般在這個時候SDA趁機（你可以這麼理解）進行電平切換，為下一次表示資料做好準備。

響應

傳輸時主機產生時鐘，在第9個時鐘時，資料傳送端會釋放SDA的控制權，由資料接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應答訊號(NACK)，低電平表示應答訊號(ACK)。

二、STM32中的I2C匯流排

首先宣告一下，STM32的硬體I2C是有缺陷的，因此我們基本都是用軟體模擬I2C！ 但是下面這些內容還是要了解一下，初學不必深入。

1. I2C框圖

本部分可參考STM32中文參考手冊第24章I2C介面。

下面將框圖分為四個部分做簡要介紹：

（1）通訊引腳

STM32晶片有兩個I2C外設，它們的I2C通訊訊號引出到不同的GPIO引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳。

SCL、SDA引腳和編號對應關係如下（可參考電路原理圖）：

引腳 I2C1 I2C2
SCL PB5（預設）/PB8（重對映） PB10
SDA PB6（預設）/PB9（重對映） PB11

需要注意的是：在 SMBus 模式下， SMBALERT 是可選訊號。如果禁止了 SMBus ，則不能使用該訊號。

SMBus (System Management Bus,系統管理匯流排) 是1995年由Intel提出的，應用於移動PC和桌面PC系統中的低速率通訊。希望通過一條廉價並且功能強大的匯流排（由兩條線組成），來控制主機板上的裝置並收集相應的資訊。SMBus 為系統和電源管理這樣的任務提供了一條控制匯流排，使用 SMBus 的系統，裝置之間傳送和接收訊息都是通過 SMBus，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節省裝置的管腳數。

（2）時鐘控制邏輯

本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.8時鐘控制暫存器(I2C_CCR)。

I2C時鐘是由時鐘控制暫存器控制的。暫存器位15可設定標準模式或快速模式，位14可設定快速模式下的佔空比（THIGH/TLOW）。位11-0設定SCL時鐘的配置因子CCR。CCR的計算過程瞭解即可（PCLK1 = APB1，預設36MHz）：

（3）資料控制邏輯

SDA訊號主要連線到資料移位暫存器上，資料移位暫存器的資料
來源及目標是資料暫存器(DR)、地址暫存器(OAR)、PEC暫存器以及SDA資料線。（感覺與USART工作原理比較類似，也是一位一位的傳送、接收。）

（4）整體控制邏輯

本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.1 控制暫存器 1(I2C_CR1)和24.6.2 控制暫存器 2(I2C_CR2)以及24.6.6 狀態暫存器 1(I2C_SR1)和24.6.7 狀態暫存器 2 (I2C_SR2)。

整體控制邏輯負責協調整個I2C外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的控制暫存器(CR1/CR2)的引數而改變。在外設工作時，控制邏輯會根據外設的工作狀態修改狀態暫存器(SR1
和SR2)，只要讀取這些暫存器相關的暫存器位，就可以瞭解I2C的工作狀態。需要注意的暫存器幾個位：

CR1暫存器：位10（ACK）、位9（STOP）、位8（START）。

SR1暫存器：位7（TxE：資料暫存器為空(傳送時) (Data register empty (transmitters)) ）、位6（RxNE：資料暫存器非空(接收時) (Data register not empty (receivers)) ）、位1（ADDR：地址已被髮送(主模式)/地址匹配(從模式) (Address sent (master mode)/matched
(slave mode))）、位0（SB：起始位(主模式) (Start bit (Master mode)) ）。

SR2暫存器：位2（TRA：傳送/接收 (Transmitter/receiver) ）、位1（BUSY：匯流排忙 (Bus busy)）。

2. STM32的I2C通訊過程

本部分可參考STM32中文參考手冊24.3.3 I2C主模式，同時文字內容借鑑了野火PPT。本部分比較重要，也是我們寫I2C程式碼的基礎。

（1）主傳送器通訊過程

如圖所示，上面一行是控制暫存器要傳送接收的內容，下面一行是狀態暫存器標誌的內容，庫函式就是通過檢測這些狀態暫存器來判斷這些事件是否已完成。

  • 當發生起始訊號（S）後，產生事件EV5，並會對SR1暫存器的SB位置1，表示起始訊號已經發送。
  • 傳送裝置地址並等待應答訊號，若有從機應答，則產生事件EV6及EV8，這時SR1暫存器的ADDR位及TXE位置1，ADDR為1表示地址已經發送，TXE為1表示資料暫存器為空。
  • 往DR暫存器寫入要傳送的資料，這時SR1暫存器的TXE位置0，表示資料暫存器非空，I2C外設通過SDA訊號線一位位把資料傳送出去後，又會產生EV8事件，即TXE位置1，重複這個過程，可以傳送多個位元組資料。
  • 傳送資料完成後，控制I2C裝置產生一個停止訊號（P），這個時候會產生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都置1，表示通訊結束。

（2）主接收器通訊過程

如圖所示，上面一行是控制暫存器要傳送接收的內容，下面一行是狀態暫存器標誌的內容，庫函式就是通過檢測這些狀態暫存器來判斷這些事件是否已完成。

  • 起始訊號(S)是由主機端產生的，控制發生起始訊號後，產生事件EV5，並會對SR1暫存器的SB位置1，表示起始訊號已經發送。
  • 傳送裝置地址並等待應答訊號，若有從機應答，則產生事件EV6，這時SR1暫存器的ADDR位置1，表示地址已經發送。
  • 從機端接收到地址後，開始向主機端傳送資料。當主機接收到這些資料後，會產生EV7事件，SR1暫存器的RXNE置1，表示接收資料暫存器非空，讀取該暫存器後，可對資料暫存器清空，以便接收下一次資料。此時可以控制I2C傳送應答訊號(ACK)或非應答訊號(NACK)，若應答，則重複以上步驟接收資料，若非應答，則停止傳輸。
  • 傳送非應答訊號後，產生停止訊號(P)，結束傳輸。

3. I2C的結構體定義和庫函式

位於標頭檔案stm32f10x_i2c.h，結構體定義如下：

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;          /*!< 設定SCL時鐘頻率*/
  uint16_t I2C_Mode;                /*!< 設定工作模式*/
  uint16_t I2C_DutyCycle;           /*!< 設定時鐘佔空比*/
  uint16_t I2C_OwnAddress1;         /*!< 指定自身I2C裝置地址 */
  uint16_t I2C_Ack;                 /*!<  響應使能或關閉響應使能*/
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!<  指定地址長度（7或10位）*/
}I2C_InitTypeDef;

這裡著重說明一下I2C_OwnAddress1，這個是配置I2C裝置自己的地址，對於STM32主機裝置，可以不用關心這個地址位，但是如果是兩個MCU進行通訊的話，是必須要進行配置的。這個地址是7位還是10位，取決於I2C_AcknowledgedAddress，只有它設定為10位模式，I2C_OwnAddress1才能使用10位地址。

部分常用庫函式如下：

//初始化
void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_StructInit(I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);

//產生起始條件、終止條件、使能應答、設定裝置的第二個地址
void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_OwnAddress2Config(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address);

//傳送資料、接收資料、傳送地址、讀取I2C的暫存器
void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Data);
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);
uint16_t I2C_ReadRegister(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t I2C_Register);

//清除標誌位、獲得標誌位（重要）、標誌位中斷
void I2C_ClearFlag(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG);
ITStatus I2C_GetITStatus(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
void I2C_ClearITPendingBit(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);

配置流程如下：

#ifndef  __I2C_H
#define  __I2C_H
#include "stm32f10x.h"

/****** 選擇使用：I2C1 ******/

/******  巨集定義區  ******/
#define I2C_CLK_SPEED	400000

/* STM32裝置地址可隨意定義，只要與EEPROM地址不重合即可 */
#define STM32_ADDR 		0x5F
#define EEPROM_ADDR   	0xA0

#define SCL_PORT_CLK 	RCC_APB2Periph_GPIOB
#define SDA_PORT_CLK 	RCC_APB2Periph_GPIOB
#define I2Cx_CLK		RCC_APB1Periph_I2C1

#define I2Cx			I2C1
#define SCL_GPIO_PORT   GPIOB
#define SDA_GPIO_PORT   GPIOB
#define SCL_GPIO_PIN	GPIO_Pin_6
#define SDA_GPIO_PIN	GPIO_Pin_7

/******  函式宣告區  ******/
void I2C_Config(void);

#endif /* __I2C_H */



/**
  * @brief  I2C初始化配置
  * @param  無
  * @retval	無
  */
void I2C_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	I2C_InitTypeDef  I2C_InitStructure;
	
	/* 開啟SCL和SDA時鐘 */
	RCC_APB1PeriphClockCmd(SCL_PORT_CLK | SDA_PORT_CLK, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(I2Cx_CLK, ENABLE);
	
	/* 配置SCL對應的GPIO */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SCL_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置SDA對應的GPIO */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置I2C */
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_CLK_SPEED;
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = STM32_ADDR;
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
	I2C_Init(I2Cx, &I2C_InitStructure);
	I2C_Cmd(I2Cx, ENABLE);
}

未完待續···

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