16-CubeMx+Keil+Proteus仿真STM32 - I2C

本文例子参考《STM32单片机开发实例——基于Proteus虚拟仿真与HAL/LL库》
源代码：https://github.com/LanLinnet/STM32F103R6

项目要求

掌握\(I^2C\)的通讯方法和时序，通过串口发送数据，单片机接收并存入AT24C02首地址中。按下按键BTN，单片机将存放在AT24C02首地址中的数据取出并通过串口发送。串口通信参数：波特率为19200bits/s；无校验。

硬件设计

  1. 在第一节的基础上，在Proteus中添加电路如下图所示。其中我们添加了一个I2C通信的外设：EEPROM芯片AT24C02（在Proteus中为FM24C02）。

    此外，还添加了\(I^2C\)总线调试工具I2C DEBUGGER，用于读取\(I^2C\)输入输出的数据。

    串口和按键的相关电路可以参考第13节。COMPIM设置如下图所示。

  2. \(I^2C\)：
    1）简介：\(I^2C\)（Inter-Integrated Circuit）总线是由Philips公司提出的一种两线式串行总线。\(I^2C\)总线属于多主总线，每个节点都可以设置唯一的地址，向总线发送数据的设备作为发送器，从总线接收数据的设备作为接收器。
    2）\(I^2C\)总线：由时钟信号线SCL和双向数据线SDA组成。
    3）通信时序：\(I^2C\)总线的通信时序分为发送器启动/停止通信、数据位传送、接收器返回响应信号三种。

    • 发送器启动/停止通信：SCL保持高电平期间，SDA产生下降沿，即通信启动信号；SCL保持高电平期间，SDA产生上升沿，即通信停止信号。

    • 数据位传送：数据发送器在启动通信之后，便向\(I^2C\)总线发送数据，发送数据字节长度为1字节，发送顺序高位在前，低位在后，逐位发送。如下图所示，在SCL处于高电平期间，SDA必须保持稳定，SDA低电平代表数据0，高电平代表数据1；只有在SCL处于低电平期间，SDA才能改变电平状态。

    • 接收器返回响应信号：数据发送器每发送1个字节，数据接收器都必须返回1位响应信号，响应信号若为低电平则规定为应答响应位（ACK），表示数据接收器接收该字节数据成功；反之，则称为非应答响应位（NACK），表示数据接收器接收该字节数据失败。

      如果数据接收器是主机，则在它收到最后一字节数据后，返回一个非应答位，通知数据发送器结束数据发送，接着主机向\(I^2C\)总线发送一个停止通信信号，结束通信过程。

  3. AT24C02
    1）简介：AT24Cxx是美国Atmel公司出品的单行\(EEPROM\)系列芯片，xx表示不同的容量。如02表示该芯片的总容量为2kbits（256字节）。
    2）引脚：AT24C02芯片引脚如下图所示，引脚功能如下表所示。


    其中，1-3引脚参与构成AT24C02在\(I^2C\)总线上的地址。如图1K/2K的地址所示，地址高4位固定为1010B，低4位的最低位在总线“写”指令中固定为0，在总线“读”指令中固定为1，其余3位就由1-3引脚决定。

    3）读写时序：AT24C02的读写方式有写入字节、写入页、读当前地址、随机读取和连续读取5种方式，下面我们介绍本项目中使用的两种。

    • 写入字节时序（Byte Write）：写入字节即向AT24C02写入1字节，由下面8步组成。
      ①主机发送启动通信（Start）信号
      ②发送器件（芯片）地址（Device Address）
      ③产生应答响应（ACK）
      ④发送字地址（Word Address）
      ⑤产生应答响应（ACK）
      ⑥发送数据（Data）
      ⑦产生应答响应（ACK）
      ⑧发送停止通信（Stop）信号

    • 随机读取时序（Random Read）：随机读取即从AT24C02读取1字节，由下面11步组成。
      ①主机发送启动通信（Start）信号
      ②发送器件（芯片）地址（Device Address）
      ③产生应答响应（ACK）
      ④发送字地址（Word Address）
      ⑤产生应答响应（ACK）
      ⑥再次发送启动通信（Start）信号
      ⑦发送器件（芯片）地址（Device Address）
      ⑧产生应答响应（ACK）
      ⑨读取数据（Data）
      ⑩发送非应答响应（No ACK）
      ⑪发送停止通信（Stop）信号

  4. 打开CubeMX，建立工程。设置PB6、PB7为GPIO_Output，PC0为GPIO_Input，点击“Categories”中的“GPIO”的“User Label”设置如下图所示。

    这里要注意，STM32F103R6自带一个\(I^2C\)总线通信模块，但是为了便于移植，我们这里采用GPIO引脚PB6、PB7模拟\(I^2C\)总线的时序。
    随后进行串口设置，如下图所示，这里就不赘述了，具体可以参考第13节。

  5. 点击“Generator Code”生成Keil工程。

软件编写

  1. 考虑到代码的可移植性，这里将\(I^2C\)总线时序模拟和AT24C02操作代码分别写入头文件“vI2C.h”“AT24C02.h”中。我们可以先在...\Core\Src文件夹中建立这两个头文件，此时Keil可能找不到对应文件，可以直接将文件拽入Keil中进行编辑，然后再在“main.c”文件中进行include。

  2. 点击“Open Project”在Keil中打开工程，打开“vI2C.h”，添加代码如下。

    //I2C总线时序模拟
#ifndef VI2C_H_
#define VI2C_H_
#include "main.h"

//延时1μs
void delay_us(uint16_t n)
{
  uint16_t i = n*8;  //8MHz，周期为1/8μs
  while(i--);
}

//设置数据线模式: I-输入 O-输出
void Pin_vSDA_Mode(char status)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, vSDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
  GPIO_InitStruct.Pin = vSDA_Pin;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  if(status == 'I')  //输入
  {
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  }
  else if(status == 'O')  //输出
  {
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  }
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

//时钟线输出
void vSCL_Out(uint8_t dat)
{
  switch(dat)
  {
    case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, vSCL_Pin, GPIO_PIN_RESET); break;
    default: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, vSCL_Pin, GPIO_PIN_SET); break;
  }
}

//写数据线
void vSDA_Out(uint8_t dat)
{
  switch(dat)
  {
    case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, vSDA_Pin, GPIO_PIN_RESET); break;
    default: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, vSDA_Pin, GPIO_PIN_SET); break;
  }
}

//读数据线
uint8_t vSDA_In()
{
  GPIO_PinState PinState;
  uint8_t rt;
  PinState = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, vSDA_Pin);
  switch(PinState)
  {
    case GPIO_PIN_RESET: rt = 0; break;
    default: rt = 1; break;
  }
  return rt;
}

//启动I2C通信
void I2C_Start()
{
  Pin_vSDA_Mode('O');
  vSDA_Out(1);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSCL_Out(1);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSDA_Out(0);  //下降沿
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSCL_Out(0);
}

//停止I2C通信
void I2C_Stop()
{
  Pin_vSDA_Mode('O');
  vSDA_Out(0);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSCL_Out(1);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSDA_Out(1);	//上升沿
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
}

//发送应答-低电平
void I2C_Ack()
{
  Pin_vSDA_Mode('O');
  vSDA_Out(0);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSCL_Out(1);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSCL_Out(0);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
  vSDA_Out(1);
  delay_us(6);  //至少延时4.7μs
}

//写1字节数据
void I2C_WtByte(uint8_t Dat)
{
  uint8_t i, tmp;
  Pin_vSDA_Mode('O');
  for(i = 0; i < 8; i++)
  {
    tmp = Dat & (0x80>>i);  //高位在前，低位在后，逐位发送
    vSCL_Out(0);
    delay_us(6);
    (tmp == 0) ? (vSDA_Out(0)) : (vSDA_Out(1));
    delay_us(6);
    vSCL_Out(1);
    delay_us(6);
  }
  vSCL_Out(0);
  delay_us(6);
  vSDA_Out(1);
  delay_us(6);
}

//读1字节数据
uint8_t I2C_RdByte()
{
  uint8_t Dat = 0, tmp, i;
  Pin_vSDA_Mode('I');
  vSCL_Out(0);
  delay_us(6);
  for(i = 0; i < 8; i++)
  {
    vSCL_Out(1);
    delay_us(6);
    tmp = vSDA_In();
    Dat = Dat << 1;  //读1位左移1位
    Dat = Dat | tmp;
    delay_us(6);
    vSCL_Out(0);
    delay_us(6);
  }
  return Dat;
}
#endif /* VI2C_H_ */

    打开“AT24C02.h”，添加代码如下。

    //AT24C02操作
#ifndef AT24C02_H_
#define AT24C02_H_
#define AT24C02_ADDR 0xa0
#include "main.h"
#include "vI2C.h"

//写入1字节
void AT24C02_Write(uint8_t DatAddr, uint8_t Dat)
{
  I2C_Start();		//主机发送启动通信信号
  I2C_WtByte(AT24C02_ADDR + 0);		//发送器件（芯片）地址
  I2C_Ack(); 		//产生应答响应
  I2C_WtByte(DatAddr);  //发送字地址
  I2C_Ack();		//产生应答响应
  I2C_WtByte(Dat);		//发送数据
  I2C_Ack();		//产生应答响应
  I2C_Stop();		//发送停止通信信号
}

//读取1字节
uint8_t AT24C02_Read(uint8_t DatAddr)
{
  uint8_t Dat;
  I2C_Start();		//主机发送启动通信信号
  I2C_WtByte(AT24C02_ADDR + 0);		//发送器件地址
  I2C_Ack();		//产生应答响应
  I2C_WtByte(DatAddr);		//发送字地址
  I2C_Ack();		//产生应答响应
  I2C_Start();		//再次发送启动通信信号
  I2C_WtByte(AT24C02_ADDR + 1);		//发送器件地址
  I2C_Ack();		//产生应答响应
  Dat = I2C_RdByte();		//读取数据
  I2C_Stop();		//产生非应答信号，发送停止通信信号
  return Dat;
}
#endif /* AT24C02_H_ */

  3. 随后我们需要在main.c文件中的最前面引入我们自定义的头文件

    /* USER CODE BEGIN Includes */
#include "vI2C.h"		//引用I2C总线时序模拟头文件
#include "AT24C02.h"		//引用AT24C02操作头文件
/* USER CODE END Includes */

    在main函数中定义一些全局变量

    /* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t RcvDat[1];		//存放接收数据数组
uint8_t SndDat[1];		//存放发送数据数组
uint8_t rf = 0;		//接收完成标志位
/* USER CODE END PV */

    进行串口相关操作

    /* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RcvDat, 1);		//串口1接收中断
/* USER CODE END 2 */

    /* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
  if(rf==1)  //若接收完成
  {
    rf = 0;  //清0标志位
    AT24C02_Write(0, RcvDat[0]);		//写入1字节
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RcvDat, 1);		//每次接收前需调用一次
  }
  else if(HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET)		//若按下按键
  {
    SndDat[0] = AT24C02_Read(0);		//读1字节数据，并存入数组
    HAL_UART_Transmit(&huart1, SndDat, 1, 0xffff);		//串口1发送1字节，超时65535ms
    while(HAL_GPIO_ReadPin(BTN_GPIO_Port, BTN_Pin) == GPIO_PIN_RESET);		//直到按键松开
  }
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */

    /* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)		//串口接收完毕回调函数
{
  if(huart == &huart1)
  {
    rf = 1;		//若接收完成，则标志位置1
  }
}
/* USER CODE END 4 */

联合调试

  1. 点击运行，生成HEX文件。

  2. 在Proteus中加载相应HEX文件，点击运行。

  3. 打开串口调试助手“XCOM”，选择COM4，设置相应的波特率、停止位、数据位、奇偶校验等，勾选“16进制显示”和“16进制发送”，点击“打开串口”。在发送框输入“CD”，点击“发送”。在Proteus中我们可以看到“I2C Debug”接收到数据“CD”。按下按键，同时再观察串口调试助手“XCOM”，可以看到接收窗口收到数据“CD”。

posted @ 2022-05-27 10:11  Sheepeach  阅读(3332)  评论(0)  编辑  收藏  举报