STM32学习笔记（8）——I2C总线设备

目录

• 一、I2C协议简介
  • 1. 物理层
  • 2. 协议层
    • （1）主机写数据到从机
    • （2）主机由从机读数据
    • （3）读和写交替进行
    • （4）信号和时钟的配合
• 二、STM32中的I2C总线
  • 1. I2C框图
    • （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
  • 2. STM32的I2C通讯过程
    • （1）主发送器通讯过程
    • （2）主接收器通讯过程
  • 3. I2C的结构体定义和库函数

一、I2C协议简介

I2C通讯协议 (Inter-Integrated Circuit，读作I平方C、I方C) 是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路间的通讯。

1. 物理层

（感谢野火的PPT，一部分内容参考了野火）如下图所示即为I2C的物理层：

下面来简要介绍物理层需要了解的知识点：

• 总线： 多个设备共用的信号线，有两条：一条双向串行数据线 (SDA)，一条串行时钟线 (SCL)。
• 主机和从机： 总线上挂载着多个通讯主机和通讯从机，每个连接到总线的从机设备都有独一无二的通讯地址，主机通过这些地址对从机设备进行访问。一般来说，总线上挂载着五六个从机和一个主机就够用了。
• 通讯： 当主机与从机正在进行通讯的时候，从机设备输出低电平，将总线拉成低电平，其他设备输出高阻态，不能参与通讯。
• 上拉电阻： 两条总线均通过上拉电阻连接到电源。当所有从机设备空闲时，这些设备会输出高阻态，由上拉电阻把总线拉成高电平，这些设备就相当于与总线断开了。

如果不是用高阻态表示高电平而是用接地表示，那么当一个设备通讯时，这个设备接电源，整个总线通过上拉电阻也接了电源，其他未通讯设备接地，就把其它设备短路掉了。

• 仲裁： 当有多个设备想跟主机通讯时，为防止数据冲突，会采用仲裁的方式（类似DMA）决定由哪个设备占用总线。在通讯分点已经说明了一次通讯只能有一个主机和一个从机。
• 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 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式，一般情况下快速模式就已经够了。
• 注意： 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

2. 协议层

这个部分的内容相当重要，它是我们后面写代码的基础。

（1）主机写数据到从机

一个数据包的组成如下：

• 图例： 条纹框：数据由主机传输到从机；白色框：数据由从机传输到主机。
• S（传输开始信号）： 主机向总线广播，说，我要开始通讯了！至于向谁通讯呢？待会再说。
• SLAVE_ADDRESS（从机地址）： 主机现在说，我要访问这个地址所在的设备！I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。设备地址可以是7位或10位。
• R/W（读写位）： 接下来主机表示，我的访问操作是向这个设备写入数据，R/W置为0，表示我要写入！这个设备，你听到了吗？听到请回答！因此实际上主机发送了一个位数为8或11的数据。
• A（应答位）： 设备发送应答信号（ACK，Acknowledged）给主机，表示，主机我收到了，我可以工作，你说！
• DATA（数据）： 主机说，那好我们开始吧！开始发送数据，一共n字节。发完以后，主机问，设备你收到了吗？设备说，收到（ACK）！现在写入数据，并发送一个应答信号给主机。如此往复，便实现了写的过程。
• A（应答位）： 最后一次数据写入后，设备说，够了够了，不要再写了，并发送一个非应答信号（NACK，Not Acknowledged）给主机。
• P（停止位）： 主机发送一位停止位告诉设备，我停止访问了！于是设备重新拉回高阻态。

（2）主机由从机读数据

一个数据包的组成如下：

• 图例： 条纹框：数据由主机传输到从机；白色框：数据由从机传输到主机。
• S（传输开始信号）： 主机向总线广播，说，我要开始通讯了！至于向谁通讯呢？待会再说。
• SLAVE_ADDRESS（从机地址）： 主机现在说，我要访问这个地址所在的设备！这个地址是7位或10位长。
• R/W（读写位）： 接下来主机表示，我的访问操作是向这个设备写入数据，R/W置为1，表示我要读数据！这个设备，你听到了吗？听到请回答！因此实际上主机发送了一个位数为8或11的数据。
• A（应答位）： 设备发送应答信号（ACK，Acknowledged）给主机，表示，主机我收到了，我可以工作了！
• DATA（数据）： 设备接着开始发送数据给主机，一共n字节。发完以后，设备问，主机你收到了吗？主机说，收到（ACK）！如此往复，便实现了读的过程。
• A（应答位）： 最后一次读数据后，主机说，我不想再读了，并发送一个非应答信号（NACK，Not Acknowledged）给设备。
• P（停止位）： 主机发送一位停止位告诉设备，我停止访问了！于是设备重新拉回高阻态。

（3）读和写交替进行

这个就是以上读和写的复合格式，关键在于主机的读写位，主机想要读就用读的格式，主机想要写就用写的格式。

（4）信号和时钟的配合

通讯起始和停止

• 当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。
• 当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。
• 起始和停止信号一般由主机产生。

数据有效性

SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

• 当SCL为高电平时，SDA表示的数据有效，即此时的SDA为稳定高电平时表示数据“1”，为稳定低电平时表示数据“0”。
• 当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA趁机（你可以这么理解）进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

响应

传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

二、STM32中的I2C总线

首先声明一下，STM32的硬件I2C是有缺陷的，因此我们基本都是用软件模拟I2C！ 但是下面这些内容还是要了解一下，初学不必深入。

1. I2C框图

本部分可参考STM32中文参考手册第24章I2C接口。

下面将框图分为四个部分做简要介绍：

（1）通讯引脚

STM32芯片有两个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。

SCL、SDA引脚和编号对应关系如下（可参考电路原理图）：

引脚	I2C1	I2C2
SCL	PB5（默认）/PB8（重映射）	PB10
SDA	PB6（默认）/PB9（重映射）	PB11

需要注意的是：在 SMBus 模式下， SMBALERT 是可选信号。如果禁止了 SMBus ，则不能使用该信号。

SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 是1995年由Intel提出的，应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通讯。希望通过一条廉价并且功能强大的总线（由两条线组成），来控制主板上的设备并收集相应的信息。SMBus 为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus 的系统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。

（2）时钟控制逻辑

本部分可参考STM32中文参考手册24.6.8时钟控制寄存器(I2C_CCR)。

I2C时钟是由时钟控制寄存器控制的。寄存器位15可设置标准模式或快速模式，位14可设置快速模式下的占空比（THIGH/TLOW）。位11-0设置SCL时钟的配置因子CCR。CCR的计算过程了解即可（PCLK1 = APB1，默认36MHz）：

（3）数据控制逻辑

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。（感觉与USART工作原理比较类似，也是一位一位的发送、接收。）

（4）整体控制逻辑

本部分可参考STM32中文参考手册24.6.1 控制寄存器 1(I2C_CR1)和24.6.2 控制寄存器 2(I2C_CR2)以及24.6.6 状态寄存器 1(I2C_SR1)和24.6.7 状态寄存器 2 (I2C_SR2)。

整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的控制寄存器(CR1/CR2)的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改状态寄存器(SR1
和SR2)，只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态。需要注意的寄存器几个位：

CR1寄存器：位10（ACK）、位9（STOP）、位8（START）。

SR1寄存器：位7（TxE：数据寄存器为空(发送时) (Data register empty (transmitters)) ）、位6（RxNE：数据寄存器非空(接收时) (Data register not empty (receivers)) ）、位1（ADDR：地址已被发送(主模式)/地址匹配(从模式) (Address sent (master mode)/matched
(slave mode))）、位0（SB：起始位(主模式) (Start bit (Master mode)) ）。

SR2寄存器：位2（TRA：发送/接收 (Transmitter/receiver) ）、位1（BUSY：总线忙 (Bus busy)）。

2. STM32的I2C通讯过程

本部分可参考STM32中文参考手册24.3.3 I2C主模式，同时文字内容借鉴了野火PPT。本部分比较重要，也是我们写I2C代码的基础。

（1）主发送器通讯过程

如图所示，上面一行是控制寄存器要发送接收的内容，下面一行是状态寄存器标志的内容，库函数就是通过检测这些状态寄存器来判断这些事件是否已完成。

• 当发生起始信号（S）后，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送。
• 发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件EV6及EV8，这时SR1寄存器的ADDR位及TXE位置1，ADDR为1表示地址已经发送，TXE为1表示数据寄存器为空。
• 往DR寄存器写入要发送的数据，这时SR1寄存器的TXE位置0，表示数据寄存器非空，I2C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位置1，重复这个过程，可以发送多个字节数据。
• 发送数据完成后，控制I2C设备产生一个停止信号（P），这个时候会产生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都置1，表示通讯结束。

（2）主接收器通讯过程

如图所示，上面一行是控制寄存器要发送接收的内容，下面一行是状态寄存器标志的内容，库函数就是通过检测这些状态寄存器来判断这些事件是否已完成。

• 起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，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送。
• 发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件EV6，这时SR1寄存器的ADDR位置1，表示地址已经发送。
• 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生EV7事件，SR1寄存器的RXNE置1，表示接收数据寄存器非空，读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)，若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输。
• 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。

3. I2C的结构体定义和库函数

位于头文件stm32f10x_i2c.h，结构体定义如下：

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;          /*!< 设置SCL时钟频率*/
  uint16_t I2C_Mode;                /*!< 设置工作模式*/
  uint16_t I2C_DutyCycle;           /*!< 设置时钟占空比*/
  uint16_t I2C_OwnAddress1;         /*!< 指定自身I2C设备地址 */
  uint16_t I2C_Ack;                 /*!<  响应使能或关闭响应使能*/
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!<  指定地址长度（7或10位）*/
}I2C_InitTypeDef;

这里着重说明一下I2C_OwnAddress1，这个是配置I2C设备自己的地址，对于STM32主机设备，可以不用关心这个地址位，但是如果是两个MCU进行通讯的话，是必须要进行配置的。这个地址是7位还是10位，取决于I2C_AcknowledgedAddress，只有它设置为10位模式，I2C_OwnAddress1才能使用10位地址。

部分常用库函数如下：

//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);

//产生起始条件、终止条件、使能应答、设置设备的第二个地址
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);

//发送数据、接收数据、发送地址、读取I2C的寄存器
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);

//清除标志位、获得标志位（重要）、标志位中断
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"

/****** 选择使用：I2C1 ******/

/******  宏定义区  ******/
#define I2C_CLK_SPEED	400000

/* STM32设备地址可随意定义，只要与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

/******  函数声明区  ******/
void I2C_Config(void);

#endif /* __I2C_H */



/**
  * @brief  I2C初始化配置
  * @param  无
  * @retval	无
  */
void I2C_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	I2C_InitTypeDef  I2C_InitStructure;
	
	/* 开启SCL和SDA时钟 */
	RCC_APB1PeriphClockCmd(SCL_PORT_CLK | SDA_PORT_CLK, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(I2Cx_CLK, ENABLE);
	
	/* 配置SCL对应的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对应的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);
}

未完待续···