STM32F0+硬件I2C通讯
IIC（Inter—Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向数据传送，高速IIC总线一般可达400kbps以上。
I2C通讯设备之间的常用连接方式：
I2C具有如下特点：
- 它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I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
- 一个 I2C 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之间的访问。
- 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，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由哪个设备占用总线。
- 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。
STM32的 I2C 外设可用作通讯的主机及从机，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。它的 I2C外设还支持 SMBus2.0协议，SMBus 协议与 I2C类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本手册不展开，感兴趣的读者可参《SMBus20》文档了解。
STM32F030的I2C架构剖析：
①I2C通讯引脚
I2C 的所有硬件架构都是根据图中右侧 SCL 线和 SDA 线展开的。STM32 芯片有多个 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。
②数据控制逻辑
I2C 的 SDA信号主要连接到数据移位寄存器上。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。若使能了数据校验，接收到的数据会经过 PCE计算器运算，运算结果存储在“PEC寄存器”中。当 STM32 的 I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与 STM32的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32 的自身 I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个 I2C设备地址，两个地址分别存储在 OAR1和 OAR2中。
③时钟控制逻辑
I2C由一个独立的时钟源进行计时，该时钟源允许I2C独立于PCLK频率工作。这个独立的时钟可以选为SYSCLK系统时钟。I2C的IO口支持20毫安输出电流驱动器快速模式操作，这是通过SCL和SDA引脚的驱动来实现的。在启用外设之前，必须在I2C_TIMINGR寄存器中配置SCLH和SCLL的I2C主时钟。
SDA和SCL时钟配置公式如下：
I2C分频后的时钟周期：tPRESC = (PRESC+1) * tI2CCLK
传输模式下，当SDA数据准备好，SCL上升沿到来的延时时间：tSCLDEL = (SCLDEL+1) * tPRESC
传输模式下，SCL下降沿到来之后，SDA数据发生改变的延时时间：tSDADEL = SDADEL x tPRESC
SCL高电平持续时间：tSCLH = (SCLH+1) x tPRESC
SCL低电平持续时间：tSCLL = (SCLL+1) x tPRESC
tI2CCLK为I2C的时钟周期，PRESC、SCLDEL、SDADEL、SCLH、SCLL可以通过I2C_TIMINGR寄存器进行配置。
通讯过程：
使用 I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(ISR)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
I2C主机发送数据流程图如下（以发送两个字节数据为例）：
I2C主机发送数据流程：
- 控制产生起始信号(S)，发送设备地址并等待应答信号(A)。
- 若设备地址发送成功，则产生事件“EV1”，这时I2C_ISR寄存器的“TXIS”位被置1表示设备地址发送成功。
- 紧接着往I2C的“数据寄存器TXDR”写入要发送的数据data1，等待应答信号(A)。
- 当数据发送完成后，产生事件“EV2”，这时I2C_ISR寄存器的“TXIS”位被置1表示数据发送成功。
- 当数据1发送完成后，以同样的方法发送数据data2，重复这个过程就可以发送多个字节了。
- 当我们发送数据完成后，在自动停止模式下，I2C设备产生一个停止信号，表示通讯结束。在软件停止模式下，数据发送完成后，产生事件“EV3”，这时I2C_ISR寄存器的“TC”位被置1表示数据传输完成，此时可以选择重新开始发送或者软件结束通讯。
I2C主机接收数据流程图如下（以接收两个字节数据为例）：
I2C主机接收数据步骤：
- 主机产生起始信号(S)，发送设备地址并等待应答信号(A)。
- 从机接收到地址后，开始向主机发送数据。当主机接收到数据data1后，会产生“EV1”事件，I2C_ISR寄存器的“RXNE”位被置1，表示接收数据寄存器非空，此时我们可以读取寄存器中数据，读取后我们控制I2C发送应答信号(A)，继续接收数据。
- 以同样的方法接收数据data2，重复这个过程就可以接收多个字节了。数据接收完成后，控制I2C发送非应答信号(NA)，表示停止传输。
- 当我们接收数据完成后，在自动停止模式下，I2C设备产生一个停止信号，表示通讯结束。在软件停止模式下，数据接收完成后，产生事件“EV3”，这时I2C_ISR寄存器的“TC”位被置1表示数据传输完成，此时可以选择重新开始发送或者软件结束通讯。
bsp_hard_i2c.c程序如下：
#include "bsp_hard_i2c.h"
__IO uint32_t I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
// 初始化IIC2
void I2C2_Hard_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义GPIO结构体
I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE); // 打开GPIOB口时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE); // 使能I2C2时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; // 复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; // 开漏
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = Pin_SCL | Pin_SDA; // IIC对应IO口
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_Level_3; // 50MHZ
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 初始化GPIO
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_1); // 将 PB10 映射为 I2C_SCL
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_1); // 将 PB11 映射为 I2C_SDA
SYSCFG_I2CFastModePlusConfig(SYSCFG_I2CFastModePlus_I2C1, ENABLE); // 配置I2C1快速模式(1MHz)和驱动能力
I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; // I2C2应答使能
I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; // 7位应答地址
I2C_InitStruct.I2C_AnalogFilter = I2C_AnalogFilter_Enable; // I2C模拟滤波使能
I2C_InitStruct.I2C_DigitalFilter = 0x00; // 数字滤波系数
I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C; // 工作模式：选择模式为I2C
I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0x00; // 设置I2C自身器件地址
I2C_InitStruct.I2C_Timing = 0x00700818; // 设置I2C时间寄存器的值 1M:0x00700818 400k:0x00901850;
I2C_Init(I2C2,&I2C_InitStruct);
I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);
}
// 时间溢出返回函数
uint8_t I2C2_TIMEOUT_UserCallback()
{
return 1;
}
// 写多字节函数
uint8_t I2C2_Write_NByte(const uint8_t Slave_Address, const uint16_t REG_Address, const uint8_t* REG_data, const uint8_t len)
{
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_FLAG_BUSY) != RESET) // 设备忙等待
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 配置从机设备地址 发送数据长度 发送模式 发送开始写信号
I2C_TransferHandling(I2C2, Slave_Address, RegAddressBitWide, I2C_Reload_Mode, I2C_Generate_Start_Write);
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_FLAG_TXIS) == RESET) // 等待发送状态复位
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 如果寄存器为16位 发送寄存器高8位地址
if(RegAddressBitWide == Bit16)
{
I2C_SendData(I2C2, REG_Address >> 8);
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_TXIS) == RESET) // 等待发送完成
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
}
I2C_SendData(I2C2, REG_Address & 0xff); // 发送寄存器地址
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_FLAG_TCR) == RESET) // 等待Reload模式下，数据发送完成
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 配置从机设备地址 发送数据长度 发送模式 发送开始写信号
I2C_TransferHandling(I2C2, Slave_Address, len, I2C_AutoEnd_Mode, I2C_No_StartStop);
uint8_t length = 0;
while(length != len)
{
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_ISR_TXIS) == RESET) // 等待发送完成
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
I2C_SendData(I2C2, (uint8_t)(REG_data[length]));
length++;
}
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_ISR_STOPF) == RESET) // 等待AutoEnd模式下停止信号
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
I2C_ClearFlag(I2C2, I2C_ICR_STOPCF);
return 0;
}
// 读多字节函数
uint8_t I2C2_Read_NByte(const uint8_t Slave_Address, const uint16_t REG_Address, uint8_t *REG_data, const uint8_t len)
{
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_FLAG_BUSY) != RESET) // 设备忙等待
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 配置从机设备地址 发送数据长度 发送模式 发送开始写信号
I2C_TransferHandling(I2C2, Slave_Address, RegAddressBitWide, I2C_SoftEnd_Mode, I2C_Generate_Start_Write);
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_FLAG_TXIS) == RESET) // 等待发送状态复位
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 如果寄存器为16位 发送寄存器高8位地址
if(RegAddressBitWide == Bit16)
{
I2C_SendData(I2C2, REG_Address >> 8);
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_FLAG_TXIS) == RESET) // 等待发送完成
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
}
I2C_SendData(I2C2, REG_Address & 0xff); // 发送寄存器地址
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_ISR_TC) == RESET) // 等待软件停止模式(I2C_SoftEnd_Mode)下，数据发送完成
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
// 配置从机设备地址 接收数据长度 发送模式 发送开始读信号
I2C_TransferHandling(I2C2, Slave_Address, len, I2C_AutoEnd_Mode, I2C_Generate_Start_Read);
uint8_t length = 0;
while( length != len)
{
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2,I2C_ISR_RXNE) == RESET) // 等待接收寄存器非空
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
REG_data[length] = I2C_ReceiveData(I2C2);
length++;
}
I2C2Timeout = I2C_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(I2C2, I2C_ISR_STOPF) == RESET) // 等待AutoEnd模式下停止信号
{
if((--I2C2Timeout) == 0) return I2C2_TIMEOUT_UserCallback();
}
I2C_ClearFlag(I2C2, I2C_ICR_STOPCF);
return 0;
}
bsp_hard_i2c.h程序如下：
#ifndef _BSP_HARD_I2C_H_
#define _BSP_HARD_I2C_H_
#include "stm32f0xx.h"
#include
// IO口设置
#define IIC_GPIOx GPIOB
#define Pin_SCL GPIO_Pin_10
#define Pin_SDA GPIO_Pin_11
#define I2C_TIMEOUT ((uint32_t)0x1000)
#define I2C_LONG_TIMEOUT ((uint32_t)(10 * I2C_TIMEOUT))
#define Bit16 2
#define Bit8 1
#define RegAddressBitWide Bit8 // 寄存器位宽 1:8位 2:16位
void I2C2_Hard_Init(void);
uint8_t I2C2_TIMEOUT_UserCallback(void);
uint8_t I2C2_Write_NByte(const uint8_t Slave_Address, const uint16_t REG_Address, const uint8_t* REG_data, const uint8_t len);
uint8_t I2C2_Read_NByte(const uint8_t Slave_Address, const uint16_t REG_Address, uint8_t *REG_data, const uint8_t len);
#endif