STM32——硬件和软件I2C协议

目录

 

I2C协议

 I2C 物理层

I2C协议层

STM32的硬件I2C

软件模拟I2C

部分通信逻辑

附录

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• I2C协议

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)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(IC)间的通讯。

对于通讯协议，我们以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。 

•  I2C 物理层

物理层的特点

1. 支持多个通讯主机和多个通信从机。
2. 使用两条线 时钟线（SCL）和数据线（SDA）。
3. 每个连接到总线的设备都有独立的地址。
4. 总线通过上拉电阻接到电源。
5. 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。
6. 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，目前大多 I 2 C 设备不支持高速模式。
7. 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

• I2C协议层

• 起始信号 ：当SCL高电平期间，SDA的下降沿为起始信号；
• 停止信号 ：当SCL高电平期间，SDA的上升沿为停止信号；
• 应答信号 ：在数据传输完成后第九个时钟脉冲（SCL）期间，SDA为低电平，则为应答信号；
• 非应答信号： 在数据传输完成后第九个时钟脉冲（SCL）期间，SDA为高电平，则为非应答信号；

• STM32的硬件I2C

1. I2C输出引脚，应配置为复用开漏输出。
2. 控制通信的频率，标准模式100KHZ，快速模式400KHZ，快速模式下可以选择SCL时钟的占空比，STM32的I2C在APB1总线上。
3. 数据逻辑控制，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。
4. 整体控制逻辑，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)”，我们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。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 I2C中断信号、DMA请求及各种 I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

主发送器发送流程及事件说明如下：
(1) 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送；
(2) 紧接着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”位被置 1，ADDR 为 1 表
示地址已经发送，TXE 为 1表示数据寄存器为空；
(3) 以上步骤正常执行并对 ADDR 位清零后，我们往 I2C 的“数据寄存器 DR”写入
要发送的数据，这时 TXE 位会被重置 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 位被置 1，
重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；
(4) 当我们发送数据完成后，控制 I2C 设备产生一个停止信号(P)，这个时候会产生
EV8_2事件，SR1的 TXE 位及 BTF 位都被置 1，表示通讯结束。

假如我们使能了 I2C 中断，以上所有事件产生时，都会产生 I2C 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

主接收器接收流程及事件说明如下：
(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，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送；
(2) 紧接着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”位被置 1，表示地址已经发送。
(3) 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 被置 1，表示接收数据寄存器非空，我们
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。此时我们可以控
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；
(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。
在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标
志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用
STM32标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。

• 软件模拟I2C

stm32的硬件IIC一直是令人诟病的地方，以至于很多情况下我们不得不选择使用模拟IIC的方式来在stm32上进行iic通讯。 

软件模拟I2C简单方便，不必为繁琐的事件检测而费心。

• 起始信号 ：当SCL高电平期间，SDA的下降沿为起始信号；
• 停止信号 ：当SCL高电平期间，SDA的上升沿为停止信号；
• 应答信号 ：在数据传输完成后第九个时钟脉冲（SCL）期间，SDA为低电平，则为应答信号；
• 非应答信号： 在数据传输完成后第九个时钟脉冲（SCL）期间，SDA为高电平，则为非应答信号；

• 部分通信逻辑

起始信号

//起始信号
void iic_start()
{
	SCL_1
	SDA_1
	iic_delay();   //简单的延时函数
	SDA_0
	iic_delay();
	SCL_0
	iic_delay();
}

停止信号

//结束信号
void iic_stop()
{
	SDA_0
	SCL_1
	iic_delay();
	SDA_1
}

应答信号

//应答信号
void iic_ack()
{
	SDA_0
	iic_delay();
	SCL_1
	iic_delay();
	SCL_0
	iic_delay();
	SDA_1
}

非应答信号

//非应答信号
void iic_nack()
{
	SDA_1
	iic_delay();
	SCL_1
	iic_delay();
	SCL_0
	iic_delay();
}

• 附录

IIC代码（硬件IIC & 软件IIC）：https://github.com/kks1234/STM32/tree/master/13.IIC%E9%80%9A%E4%BF%A1