STM32——IIC详细解析

STM32——IIC详解

IIC简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、 IC 与 IC 之间进行双向传送， 高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号： SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。 CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。 IIC 总线时序图如图 27.1.1 所示：

ALIENTEK 精英 STM32F103 板载的 EEPROM 芯片型号为 24C02。该芯片的总容量是 256个字节，该芯片通过 IIC 总线与外部连接，我们本章就通过 STM32F1 来实现 24C02 的读写。
目前大部分 MCU 都带有 IIC 总线接口， STM32F1 也不例外。但是这里我们不使用 STM32F1的硬件 IIC 来读写 24C02，而是通过软件模拟。 ST 为了规避飞利浦 IIC 专利问题，将 STM32的硬件 IIC 设计的比较复杂， 而且稳定性不怎么好，所以这里我们不推荐使用。 有兴趣的读者可以研究一下 STM32F1 的硬件 IIC。
用软件模拟 IIC， 最大的好处就是方便移植， 同一个代码兼容所有 MCU， 任何一个单片机只要有 IO 口，就可以很快的移植过去，而且不需要特定的 IO 口。 而硬件 IIC，则换一款 MCU，基本上就得重新搞一次，移植是比较麻烦的，这也是我们推荐使用软件模拟 IIC 的另外一个原因。
实验功能简介： 开机的时候先检测 24C02 是否存在，然后在主循环里面检测两个按键，其中 1 个按键（KEY1） 用来执行写入 24C02 的操作，另外一个按键（KEY0） 用来执行读出操作，在 TFTLCD 模块上显示相关信息。同时用 DS0 提示程序正在运行。

硬件连接

本次实验用到的硬件资源：
1） 指示灯 DS0
2） KEY0 和 KEY1 按键
3） 串口（ USMART 使用）
4） TFTLCD 模块
5） 24C02
这里只介绍 24C02 与STM32F1 的连接， 24C02 的 SCL 和 SDA 分别连在 STM32F1 的 PB6 和 PB7 上的，连接关系如图 27.2.1 所示：

软件设计

在 HARDWARE 文件夹下新建一个 24CXX 的文件夹。然后新建一个 24cxx.c、 myiic.c的文件和 24cxx.h、 myiic.h 的头文件，保存在 24CXX 文件夹下，并将 24CXX 文件夹加入头文件包含路径。
打开 myiic.c 文件，输入如下代码：

//初始化 IIC
void IIC_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3; //先使能外设 IO PORTB 时钟GPIOB->CRL&=0X00FFFFFF; //PB6/7 推挽输出GPIOB->CRL|=0X33000000;
GPIOB->ODR|=3<<6; //PB6,7 输出高}
//产生 IIC 起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sda 线输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0; 
delay_us(4);//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
IIC_SCL=0; //钳住 I2C 总线，准备发送或接收数据
}
//产生 IIC 停止信号
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT(); 
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0; 
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1; //sda 线输出//STOP:when CLK is high DATA change form low to high//发送 I2C 总线结束信号delay_us(4);
}
//等待应答信号到来
//返回值： 1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA 设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出 0
return 0;
}
//产生 ACK 应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2); 
IIC_SCL=0;
}
//不产生 ACK 应答
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//IIC 发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
txd<<=1;
delay_us(2); //对 TEA5767 这三个延时
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
//读 1 个字节， ack=1 时，发送 ACK， ack=0，发送
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA 设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1; 
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送 nACK
else
IIC_Ack(); //发送 ACK
return receive;
} 

该部分为 IIC 驱动代码，实现包括 IIC 的初始化（IO 口）、 IIC 开始、 IIC 结束、 ACK、 IIC读写等功能，在其他函数里面，只需要调用相关的 IIC 函数就可以和外部 IIC 器件通信了，这里并不局限于 24C02，该段代码可以用在任何 IIC 设备上。
保存该部分代码，把 myiic.c 加入到 HARDWARE 组下面，然后在 myiic.h 里面输入如下代码：

#ifndef __MYIIC_H
#define __MYIIC_H
#include "sys.h"
//IO 方向设置
#define SDA_IN() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)8<<28;}#define SDA_OUT() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)3<<28;}//IO 操作函数
#define IIC_SCL 
#define IIC_SDA //SCL
//SDA
//输入 SDAPBout(6) 
PBout(7) #define READ_SDA PBin(7) //IIC 所有操作函数void IIC_Init(void); //初始化 IIC 的 IO 口void IIC_Start(void); 
void IIC_Stop(void); //发送 IIC 开始信号
//发送 IIC 停止信号
//IIC 发送一个字节void IIC_Send_Byte(u8 txd); u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack);//IIC 读取一个字节u8 IIC_Wait_Ack(void); //IIC 等待 ACK 信号
//IIC 发送 ACK 信号
//IIC 不发送 ACK 信号void IIC_Ack(void); void IIC_NAck(void); void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr,u8 addr,u8 data);
u8 IIC_Read_One_Byte(u8 daddr,u8 addr);
#endif 

该部分代码的 SDA_IN()和 SDA_OUT()分别用于设置 IIC_SDA 接口为输入和输出，如果这两句代码看不懂，请好好温习下 IO 口的使用。 接下来我们在 24cxx.c 文件里面输入如下代码：

//初始化 IIC 接口
void AT24CXX_Init(void)
{
IIC_Init(); 
}
//在 AT24CXX 指定地址读出一个数据
//ReadAddr:开始读数的地址
//返回值 :读到的数据
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{
u8 temp=0;
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1));//发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA1); //进入接收模式
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop(); //产生一个停止条件
return temp;
}
//在 AT24CXX 指定地址写入一个数据
//WriteAddr :写入数据的目的地址
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1)); //发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite); //发送字节
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop(); //产生一个停止条件
delay_ms(10); //EEPROM 的写入速度比较慢，加入延迟 
}
//检查 AT24CXX 是否正常
//这里用了 24XX 的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他 24C 系列,这个地址要修改
//返回 1:检测失败
//返回 0:检测成功
u8 AT24CXX_Check(void)
{
u8 temp;
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写 AT24CXX
if(temp==0X55)return 0;
else//排除第一次初始化的情况
{
AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
if(temp==0X55)return 0;
}
return 1;
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始读出指定个数的数据
//ReadAddr :开始读出的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer :数据数组首地址
//NumToRead:要读出数据的个数
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead)
{
while(NumToRead)
{
*pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);
NumToRead--;
}
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始写入指定个数的数据
//WriteAddr :开始写入的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer :数据数组首地址
//NumToWrite:要写入数据的个数
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{
while(NumToWrite--)
{
AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
WriteAddr++;
pBuffer++; 
}
}

这部分代码理论上是可以支持 24Cxx 所有系列的芯片的（地址引脚必须都设置为 0），但是我们测试只测试了 24C02，其他器件有待测试。 大家也可以验证一下， 24CXX 的型号定义在24cxx.h 文件里面，通过 EE_TYPE 设置。
保存该部分代码，把 24cxx.c 加入到 HARDWARE 组下面，然后在 24cxx.h 里面输入如下代码：

#ifndef __24CXX_H
#define __24CXX_H
#include "myiic.h"
#define AT24C01 127
#define AT24C02 255
#define AT24C04 511
#define AT24C08 1023
#define AT24C16 2047
#define AT24C32 4095
#define AT24C64 8191
#define AT24C128 16383
#define AT24C256 32767
//ALIENTEK STM32 开发板使用的是 24c02，所以定义 EE_TYPE 为 AT24C02
#define EE_TYPE AT24C02
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr);//指定地址读取一个字节
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite); //指定地址写入一个字节
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite);
//从指定地址开始写入指定长度的数据
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead);
//从指定地址开始读出指定长度的数据
u8 AT24CXX_Check(void); //检查器件
void AT24CXX_Init(void); //初始化 IIC
#endif 

最后，我们在 main 函数里面编写应用代码，在 test.c 里面，修改 main 函数如下：

//要写入到 24c02 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"ELITE STM32 IIC TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
u8 key; u16 i=0;
u8 datatemp[SIZE];
Stm32_Clock_Init(9); 
uart_init(72,115200); 
delay_init(72); 
usmart_dev.init(72); 
LED_Init(); //系统时钟设置
//串口初始化为 115200
//延时初始化
//初始化 USMART
//初始化与 LED 连接的硬件接口 
LCD_Init(); 
KEY_Init(); 
AT24CXX_Init(); //初始化 LCD
//按键初始化
//IIC 初始化POINT_COLOR=RED; //设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"ELITE STM32F103 ^_^");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"IIC TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2015/1/15");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write KEY0:Read"); //显示提示信息
while(AT24CXX_Check())//检测不到 24c02
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"24C02 Check Failed!"); delay_ms(500);
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check! "); delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"24C02 Ready!");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY1_PRES)//KEY_UP 按下,写入 24C02
{
LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write 24C02....");
AT24CXX_Write(0,(u8*)TEXT_Buffer,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"24C02 Write Finished!");//提示传送完成
}
if(key==KEY0_PRES)//KEY1 按下,读取字符串并显示
{
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read 24C02.... ");
AT24CXX_Read(0,datatemp,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20){ LED0=!LED0; i=0;} //提示系统正在运行
}
} 

该段代码，我们通过 KEY1 按键来控制 24C02 的写入，通过另外一个按键 KEY0 来控制24C02 的读取。并在 LCD 模块上面显示相关信息。
最后，我们将 AT24CXX_WriteOneByte 和 AT24CXX_ReadOneByte 函数加入 USMART 控制，这样，我们就可以通过串口调试助手，读写任何一个 24C02 的地址，方便测试。