STM32F103 实例应用（9）——I2C读写24C02
一、应用简介
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。
在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也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。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。
1.1 物理层
它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持设备的总线。“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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
(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由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式：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。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。
1.2 协议层
I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
1.2.1 I2C基本读写过程
先看看 I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见下图。
S ： 传输开始信号
SLAVE_ADDRESS: 从机地址
R/W： 传输方向选择位，1 为读，0 为写
A/ A： 应答(ACK)或非应答(NACK)信号
P ： 停止传输信号
1.2.2 I2C页写
1.2.3 I2C随机读
1.2.4 I2C起始停止信号
前文中提到的起始(S)和停止§信号是两种特殊的状态，见上图。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。
1.2.5 I2C应答非应答信号
I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见上图。
2.2 配置代码
示例直接采用野火的软件I2C。这里串口打印我就不贴了，自己翻看以前的文章。
board_i2c.h
/**===========================================================================
@file board_i2c.h
@brief 本文件是用于I2C驱动
@author 青梅煮久
@version r0.1
@date 2021/01/13
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Remark: (备注描述)
使用野火的软件I2C
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2021/01/13 | r0.1 | 青梅煮久 | 创建
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#ifndef _BOARD_I2C_H
#define _BOARD_I2C_H
/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include board_i2c.c
/**===========================================================================
@file board_i2c.c
@brief 本文件是用于I2C驱动
@author 青梅煮久
@version r0.1
@date 2021/01/13
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Remark: (备注描述)
应用说明：
在访问I2C设备前，请先调用 i2c_CheckDevice() 检测I2C设备是否正常，该函数会配置GPIO
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2021/01/13 | r0.1 | 青梅煮久 | 创建
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/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include "board_i2c.h"
#include "stm32f10x.h"
static void i2c_CfgGpio(void);
static void i2c_Delay(void);
/*********************************************************************
* PUBLIC FUNCTIONS
*/
/**
@brief CPU发起I2C总线启动信号
@param 无
@return 无
*/
void i2c_Start(void)
{
/* 当SCL高电平时，SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号 */
EEPROM_I2C_SDA_1();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
/**
@brief CPU发起I2C总线停止信号
@param 无
@return 无
*/
void i2c_Stop(void)
{
/* 当SCL高电平时，SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号 */
EEPROM_I2C_SDA_0();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
/**
@brief CPU向I2C总线设备发送8bit数据
@param ucByte -[in] 等待发送的字节
@return 无
*/
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
uint8_t i;
/* 先发送字节的高位bit7 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (_ucByte & 0x80)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
else
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); // 释放总线
}
_ucByte <<= 1; /* 左移一个bit */
i2c_Delay();
}
}
/**
@brief CPU从I2C总线设备读取8bit数据
@param 无
@return 读到的数据
*/
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t value;
/* 读到第1个bit为数据的bit7 */
value = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
value <<= 1;
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
{
value++;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
return value;
}
/**
@brief CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
@param 无
@return 返回0表示正确应答，1表示无器件响应
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
uint8_t re;
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ()) /* CPU读取SDA口线状态 */
{
re = 1;
}
else
{
re = 0;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
return re;
}
/**
@brief CPU产生一个ACK信号
@param 无
@return 无
*/
void i2c_Ack(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_0(); /* CPU驱动SDA = 0 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
}
/**
@brief CPU产生1个NACK信号
@param 无
@return 无
*/
void i2c_NAck(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU驱动SDA = 1 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
/**
@brief 检测I2C总线设备，CPU向发送设备地址，然后读取设备应答来判断该设备是否存在
@param _Address -[in] 设备的I2C总线地址
@return 0 表示正确， 返回1表示未探测到
*/
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address)
{
uint8_t ucAck;
i2c_CfgGpio(); /* 配置GPIO */
i2c_Start(); /* 发送启动信号 */
/* 发送设备地址+读写控制bit（0 = w， 1 = r) bit7 先传 */
i2c_SendByte(_Address | EEPROM_I2C_WR);
ucAck = i2c_WaitAck(); /* 检测设备的ACK应答 */
i2c_Stop(); /* 发送停止信号 */
return ucAck;
}
/*********************************************************************
* LOCAL FUNCTIONS
*/
/**
@brief 配置I2C总线的GPIO，采用模拟IO的方式实现
@param 无
@return 无
*/
static void i2c_CfgGpio(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(EEPROM_RCC_I2C_PORT, ENABLE); /* 打开GPIO时钟 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN | EEPROM_I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; /* 开漏输出 */
GPIO_Init(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, &GPIO_InitStructure);
/* 给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式 */
i2c_Stop();
}
/**
@brief I2C总线位延迟，最快400KHz
@param 无
@return 无
*/
static void i2c_Delay(void)
{
uint8_t i;
/*
下面的时间是通过逻辑分析仪测试得到的。
工作条件：CPU主频72MHz ，MDK编译环境，1级优化
循环次数为10时，SCL频率 = 205KHz
循环次数为7时，SCL频率 = 347KHz， SCL高电平时间1.5us，SCL低电平时间2.87us
循环次数为5时，SCL频率 = 421KHz， SCL高电平时间1.25us，SCL低电平时间2.375us
*/
for (i = 0; i < 10; i++);
}
board_eeprom.h
/**===========================================================================
@file board_eeprom.h
@brief 本文件是用于EEPROM(AT24C02)驱动
@author 青梅煮久
@version r0.1
@date 2021/01/14
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Remark: (备注描述)
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History
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2021/01/14 | r0.1 | 青梅煮久 | 创建
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#ifndef __I2C_EE_H
#define __I2C_EE_H
/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include "stm32f10x.h"
/*********************************************************************
* DEFINITIONS
*/
/*
* AT24C02 2kb = 2048bit = 2048/8 B = 256 B
* 32 pages of 8 bytes each
*
* Device Address
* 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
* 1 0 1 0 0 0 0 0 = 0XA0
* 1 0 1 0 0 0 0 1 = 0XA1
*/
/* AT24C01/02每页有8个字节
* AT24C04/08A/16A每页有16个字节
*/
#define EEPROM_DEV_ADDR 0xA0 /* 24xx02的设备地址 */
#define EEPROM_PAGE_SIZE 8 /* 24xx02的页面大小 */
#define EEPROM_SIZE 256 /* 24xx02总容量 */
/*********************************************************************
* API FUNCTIONS
*/
uint8_t ee_CheckOk(void);
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);
void ee_Erase(void);
uint8_t ee_Test(void);
#endif /* __I2C_EE_H */
board_eeprom.c
/**===========================================================================
@file board_eeprom.c
@brief 本文件是用于EEPROM(AT24C02)驱动
@author 青梅煮久
@version r0.1
@date 2021/01/14
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Remark: (备注描述)
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History
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2021/01/14 | r0.1 | 青梅煮久 | 创建
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/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include "main.h"
#include "board_eeprom.h"
#include "board_i2c.h"
/*********************************************************************
* PUBLIC FUNCTIONS
*/
/**
@brief 判断串行EERPOM是否正常
@param 无
@return 1 表示正常， 0 表示不正常
*/
uint8_t ee_CheckOk(void)
{
if (i2c_CheckDevice(EEPROM_DEV_ADDR) == 0)
{
return 1;
}
else
{
/* 失败后，切记发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
}
/**
@brief 从串行EEPROM指定地址处开始读取若干数据
@param _pReadBuf -[in] 存放读到的数据的缓冲区指针
@param _usAddress -[in] 起始地址
@param _usSize -[in] 数据长度，单位为字节
@return 0 表示失败，1表示成功
*/
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i;
/* 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 */
/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
i2c_Start();
/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR); /* 此处是写指令 */
/* 第3步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress);
/* 第5步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第6步：重新启动I2C总线。前面的代码的目的向EEPROM传送地址，下面开始读取数据 */
i2c_Start();
/* 第7步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_RD); /* 此处是读指令 */
/* 第8步：发送ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第9步：循环读取数据 */
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
_pReadBuf[i] = i2c_ReadByte(); /* 读1个字节 */
/* 每读完1个字节后，需要发送Ack， 最后一个字节不需要Ack，发Nack */
if (i != _usSize - 1)
{
i2c_Ack(); /* 中间字节读完后，CPU产生ACK信号(驱动SDA = 0) */
}
else
{
i2c_NAck(); /* 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) */
}
}
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 1; /* 执行成功 */
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
/**
@brief 向串行EEPROM指定地址写入若干数据，采用页写操作提高写入效率
@param _pWriteBuf -[in] 存放写数据的缓冲区指针
@param _usAddress -[in] 起始地址
@param _usSize -[in] 数据长度，单位为字节
@return 0 表示失败，1表示成功
*/
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i,m;
uint16_t usAddr;
/*
写串行EEPROM不像读操作可以连续读取很多字节，每次写操作只能在同一个page。
对于24xx02，page size = 8
简单的处理方法为：按字节写操作模式，没写1个字节，都发送地址
为了提高连续写的效率: 本函数采用page wirte操作。
*/
usAddr = _usAddress;
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
/* 当发送第1个字节或是页面首地址时，需要重新发起启动信号和地址 */
if ((i == 0) || (usAddr & (EEPROM_PAGE_SIZE - 1)) == 0)
{
/* 第０步：发停止信号，启动内部写操作 */
i2c_Stop();
/* 通过检查器件应答的方式，判断内部写操作是否完成, 一般小于 10ms
CLK频率为200KHz时，查询次数为30次左右
*/
for (m = 0; m < 1000; m++)
{
/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
i2c_Start();
/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR); /* 此处是写指令 */
/* 第3步：发送一个时钟，判断器件是否正确应答 */
if (i2c_WaitAck() == 0)
{
break;
}
}
if (m == 1000)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件写超时 */
}
/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)usAddr);
/* 第5步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
}
/* 第6步：开始写入数据 */
i2c_SendByte(_pWriteBuf[i]);
/* 第7步：发送ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
usAddr++; /* 地址增1 */
}
/* 命令执行成功，发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 1;
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
/**
@brief 擦除EEPROM
@param 无
@return 无
*/
void ee_Erase(void)
{
uint16_t i;
uint8_t buf[EEPROM_SIZE];
/* 填充缓冲区 */
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
buf[i] = 0x00;
}
/* 写EEPROM, 起始地址 = 0，数据长度为 256 */
if (ee_WriteBytes(buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("擦除eeprom出错！\r\n");
return;
}
else
{
printf("擦除eeprom成功！\r\n");
}
}
/*********************************************************************
* LOCAL FUNCTIONS
*/
/**
@brief 延时函数
@param 无
@return 无
*/
static void ee_Delay(__IO uint32_t nCount)
{
for(; nCount != 0; nCount--);
}
/**
@brief eeprom AT24C02 读写测试
@param 无
@return 正常返回1，异常返回0
*/
uint8_t ee_Test(void)
{
uint16_t i;
uint8_t write_buf[EEPROM_SIZE];
uint8_t read_buf[EEPROM_SIZE];
/*-----------------------------------------------------------------------------------*/
if (ee_CheckOk() == 0)
{
/* 没有检测到EEPROM */
printf("没有检测到串行EEPROM!\r\n");
return 0;
}
/*------------------------------------------------------------------------------------*/
/* 填充测试缓冲区 */
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
write_buf[i] = i;
}
/*------------------------------------------------------------------------------------*/
if (ee_WriteBytes(write_buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("写eeprom出错！\r\n");
return 0;
}
else
{
printf("写eeprom成功！\r\n");
}
/*写完之后需要适当的延时再去读，不然会出错*/
ee_Delay(0x0FFFFF);
/*-----------------------------------------------------------------------------------*/
if (ee_ReadBytes(read_buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("读eeprom出错！\r\n");
return 0;
}
else
{
printf("读eeprom成功，数据如下：\r\n");
}
/*-----------------------------------------------------------------------------------*/
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
if(read_buf[i] != write_buf[i])
{
printf("0x%02X ", read_buf[i]);
printf("错误:EEPROM读出与写入的数据不一致");
return 0;
}
printf(" %02X", read_buf[i]);
if ((i & 15) == 15)
{
printf("\r\n");
}
}
printf("eeprom读写测试成功\r\n");
return 1;
}
/*********************************************END OF FILE**********************/
main.c
int main(void)
{
ee_Test();
return 0;
}
• 由 青梅煮久 写于 2021 年 02 月 04 日