STM32通信硬件 I2C

20.1关于 I2C

STM32F103系列的I²C控制器，可作为通信主机或从机，因此有四种工作模式可选择：主机发送模式、主机接收模式、从机发送模式、从机接收模式。

传输速度上，支持标准模式（Standard mode，最高速度100kHz）和快速模式（Fast mode，最高速度400kHz）。同时，还支持SMBus2.0（System Management Bus，系统管理总线）和PMBus (Power Management Bus，电源管理总线)。

I²C控制器结构如图 20.1.1 所示，可以看作四部分组成。

1. 引脚：I²C协议只需要两个引脚（SDA和SCL），SMBA引脚仅用于SMBus模式的Alert引脚，通常不用管。

2. 数据收发：主要涉及到数据寄存器（Data Register，DR）和数据移位寄存器（Data Shift Register，DSR）。
   当发送数据时，将发送的字节写入DR寄存器，硬件会把DR中的字节搬到DSR中，然后在时钟信号的配 合下，把DSR最高位的数据放到数据线SDA上，并对DSR进行移位操作。
   当接收数据时，数据控制器(Data Control)根据时钟信号，把SDA线上的高低电平转换为“1”或“0”的
   数据，写到DSR的最低位，同时DSR移位操作，当接收完一个字节的8位数据后，把DSR中的数据搬到DR寄存器中。

3. 时钟信号：时钟控制器(Clock Control)用于驱动同步时钟信号线SCL。通过配置时钟控制寄存器（ClockControl Register，CCR），可以调整SCL的频率。

4. 控制逻辑：有两个控制寄存器（Control Register 1，CR1）和（Control Register 2，CR2）用于控制逻辑。通过它们可以触发起始和停止信号，做出ACK响应，配置外设时钟频率，开启DMA和中断的功能。同时控制逻辑的状态会反馈到（Status Register 1，SR1）和（Status Register 2，SR2）两个状态寄存器上，根据它们可以知道当前总线是否被占用，本机是主设备还是从设备，数据是否发送完毕等。
   

20.1.2 AP3426 介绍

AP3426芯片集成了光强传感器（ALS:AmbientLight Sensor）、接近传感器（PS: Proximity Sensor）、红 外LED（IR LED），最常见的应用就是手机。当我们接听电话时，耳朵靠近手机前置扬声器附近，也就靠近了该传感器，此时距离传感器就告诉CPU可以关闭屏幕显示，以防误触。光强传感器能识别当前环境光，告诉CPU对应调节屏幕亮度，手机部分传感器如图 20.1.2 所示。

AP3426的结构如图 20.1.3 所示，左边两个光电二极管采集光照的强度，右边一个发光二极管发射940nm的红外光。

由图 20.1.4 可知，两个光电二极管的频谱响应，ALS光电二极管对450nm-700nm波长光有响应，PS光电二极管对850nm-1000nm波长的光有响应。

由图 20.1.5 可知，450nm-700nm波长的光在可见光范围内，而850nm-1000nm波长的光属于红外线。




在明亮环境中，环境光直接照射在ALS和PS上，当物体遮住AP3426，光电二极管的光照强度则会降低，即可判断物体接遮住。

在黑暗环境中，AP3426发出红外线照射在靠近物体上，反射到PS光电二极管上，当物体遮住AP3426， PS光电二极管的光照强度则会降低，即可判断物体遮住。

20.2 硬件设计

如图 20.2.1 为开发AP3426部分的原理图，U5为AP3426芯片。不同于AT24CXX可以电路设置设备地址，AP3426的设备地址是固定的，由芯片手册可以知为0x1E。

I²C1的SCL使用的PB6引脚，SDA使用的PB7引脚，此外，AP3426的中断引脚连接的PE5。

20.3 软件设计

20.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验通过使用MCU的硬件I2C，获取AP3426的数据。

1. 初始化I2C协议相关参数：设置速度、寻址长度模式等；
2. 初始化I2C硬件相关参数：I2C时钟使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为I2C复用；
3. 使用HAL提供的I2C对AP3426读写，封装AP3426初始化函数、数据读取函数；
4. 主函数编写控制逻辑：按下按键KEY1（KEY_U），读取一次AP3426数据，并将数据通过串口打印；

本实验配套代码位于“5_程序源码\12_通信—硬件I2C\”。

20.3.2 软件设计讲解

1. GPIO选择与接口定义
   首先定义使用的哪一个I2C、SCL和SDA引脚，如代码段 20.3.1 所示。
   代码段 20.3.1 模拟 I2C 引脚相关定义（driver_i2c.h）

/************************* I2C 硬件相关定义 *************************/
#define I2Cx I2C1
#define I2Cx_CLK_EN() __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_ClockSpeed (400000)
#define I2Cx_FORCE_RESET() __HAL_RCC_I2C1_FORCE_RESET()
#define I2Cx_RELEASE_RESET() __HAL_RCC_I2C1_RELEASE_RESET()
#define SCL_PIN GPIO_PIN_6
#define SCL_PORT GPIOB
#define SCL_PIN_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define SDA_PIN GPIO_PIN_7
#define SDA_PORT GPIOB
#define SDA_PIN_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
/************************* I2C 硬件相关定义结束 *************************/

2. 初始化I2C I2C初始化和前面UART初始化类似，包含两部分：协议部分和硬件部分。
   协议部分初始化如代码段 20.3.2 所示。
   代码段 20.3.2 I2C 协议初始化（driver_i2c.c）

I2C_HandleTypeDef hi2c;
/*
* 函数名：void I2C_Init(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* * 返回值：无
* 函数作用：初始化 I2C 速率和地址格式
*/
void I2C_Init(void) {
     
hi2c.Instance = I2Cx;
hi2c.Init.ClockSpeed = I2Cx_ClockSpeed; // 设置 SCL 时钟频率(最高 400000)
hi2c.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 设置 I2C 的 SCL 时钟的占空比(都可以)
hi2c.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 设置广播呼叫模式(关闭)
hi2c.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE; // 设置禁止时钟延长模式(关闭)
hi2c.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 设置 I2C 寻址长度模式(通常 7bit)
hi2c.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 是否使用两个 STM32 的设备地址(关闭)
hi2c.Init.OwnAddress1 = 0x0A; // STM32 的设备地址 1(支持 7bit 或 10bit)
hi2c.Init.OwnAddress2 = 0; // STM32 的设备地址 2(只支持 7bit)
if(HAL_I2C_Init(&hi2c) != HAL_OK)
{
     
Error_Handler(); } }

• 14~21行：设置I2C协议参数；
  – 14行：设置I2C的传输速率，最高不超过400kHz；
  – 15行：设置SCL时钟的占空比，即低电平时间比高电平时间，可设置有I2C_DutyCycle_2(2:1)和
  I2C_DutyCycle_16_9(16：9)，一般要求不高，任意即可；
  – 16行：I2C作为从机模式时，广播呼叫模式设置，通常用不上，关闭即可；
  – 17行：I2C作为从机模式时，禁止时钟延长，通常用不上，关闭即可；
  – 18行：设置I2C寻址长度模式，需要根据所接设备的地址长度决定，通常为7bit；
  – 19行：STM32作为从机模式时，支持同时对两个设备地址作出响应，这里作为主机，关闭即可；
  – 20行：设置STM32的设备地址1，这里作为主机，只要设备地址不与从机一样即可；
  – 21行：设置STM32的设备地址2，没用到，不需要设置；
• 23行：使用“HAL_I2C_Init()”初始化前面的“hi2c”，“HAL_I2C_Init()”会调用“HAL_I2C_MspInit()”
  进行硬件相关初始化，“HAL_I2C_MspInit()”的内容需要自己编写，如代码段 20.3.3 所示；

代码段 20.3.3 I2C 硬件初始化（driver_i2c.c）

/*
* 函数名：void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
* 输入参数：hi2c-I2C 句柄
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使能 I2C 的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能
*/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
     
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
if(hi2c->Instance==I2Cx) {
     
I2Cx_CLK_EN();
SCL_PIN_CLK_EN();
SDA_PIN_CLK_EN();
GPIO_InitStruct.Pin = SCL_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SDA_PIN;
HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
I2Cx_FORCE_RESET(); // 强制复位
I2Cx_RELEASE_RESET(); // 释放复位
} }

I2C硬件初始化的内容比较简单，依旧是先使能时钟，然后设置引脚复用，最后还需要复位下I2C。初始化后，便可使用HAL库提供的I2C发送/接收函数，HAL提供三种主机收发函数：

• HAL_I2C_Master_Receive()/HAL_I2C_Master_Transmit()：I2C收发数据，使用超时管理模式；
• HAL_I2C_Master_Receive_IT()/HAL_I2C_Master_Transmit_IT()：I2C收发数据，使用中断模式；
• HAL_I2C_Master_Receive_DMA()/HAL_I2C_Master_Transmit_DMA()：I2C收发数据，使用DMA模式；这里三种收发函数都可满足需求，这里简单处理，没有使用中断和DMA，因此使用超时管理模式。

3. 初始化和读写AP3426
   由AP3426数据手册，可知AP3426写时序如图 20.3.1 所示，首先发送设备地址，其次是命令代码（寄存
   器地址），最后是数据内容。根据时序，编写代码如代码段 20.3.4 所示。
   
   代码段 20.3.4 AP3426 写时序（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：void AP3426_WriteOneByte(uint8_t reg, uint8_t data)
* 输入参数：reg 待写 AP3426 寄存器地址 data 待写数据
* 输出参数：无
* * 返回值：无
* 函数作用：写 AP3426 一字节数据
*/
void AP3426_WriteOneByte(uint8_t reg, uint8_t data)
{
     
uint16_t write_data = reg | (data<<8);
if(HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, (AP3426_ADDR << 1) | AP3426_W , (uint8_t*)&write_data, 2, 300) != HAL_OK)
{
     
Error_Handler(); }
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c) != HAL_I2C_STATE_READY);
}

• 10行：将寄存器地址和待发送的数据，组成一个数据；
• 12行：使用“HAL_I2C_Master_Transmit()”发送数据，该函数需要五个参数：
  – 第一个：指定哪一个I2C；
  – 第二个：指定设备地址，最后一位为读/写位；
  – 第三个：待传输的数据所指向的指针；
  – 第四个：指定数据大小，前面将寄存器地址和待发送数据组在了一次，因此这里数据长度为2；
  – 第五个：指定超时时间，多长时间没有收到响应信号则表示传输失败；
• 16行：等待正常传输完成；

由AP3426数据手册，可知AP3426读时序如图 20.3.1 所示，首先发送设备地址，其次是命令代码（寄存器地址），然后重新启动，发送设备地址，最后读取数据内容。根据时序，编写代码如图 20.3.2 所示。

代码段 20.3.5 AP3426 读时序（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：uint8_t AP3426_ReadOneByte(uint8_t reg)
* 输入参数：reg 待读 AP3426 寄存器地址
* 输出参数：无
* 返回值：读取的 AP3426 数据
* 函数作用：读 AP3426 一字节数据
*/
uint8_t AP3426_ReadOneByte(uint8_t reg)
{
     
uint8_t read_data = 0;
if(HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, (AP3426_ADDR << 1) | AP3426_W , (uint8_t*)&reg, 1, 300) != HAL_OK)
{
     
Error_Handler(); }
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c) != HAL_I2C_STATE_READY);
if(HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c, (AP3426_ADDR << 1) | AP3426_R , (uint8_t*)&read_data, 1, 300) != HAL_OK)
{
     
Error_Handler(); }
return read_data;
}

• 12行：使用“HAL_I2C_Master_Transmit()”发送寄存器地址；
• 18行：使用“HAL_I2C_Master_Receive ()”读取寄存器数据；

AP3426的读写时序，分别与前面AT24Cxx随机读、字节写时序非常类似。对于其它I2C设备/模块，也差不多。

有了读写AP3426的函数，便可以操作寄存器，初始化和读取AP3426数据。AP3426的初始化比较简单，流程如下：

1. 复位:设置System Control寄存器(地址：0x00)为“SW reset”(值：0x04)；
2. 设置工作模式：设置System Control寄存器(地址：0x00)为“ALS and PS+IR functions active”(值：
   0x03)，即IR+PS+ALS三个都激活使用；
3. 设置中断(这里没使用中断)；
   
   代码段 20.3.6 AP3426 初始化（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：uint8_t AP3426_Init(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：0 成功 1 失败
* 函数作用：初始化 AP3426
*/
uint8_t AP3426_Init(void) {
     
uint8_t ret_value = 0;
AP3426_WriteOneByte(SYS_CONFIG_ADDR, SYS_SW_RESET); // 系统软件复位
HAL_Delay(50);
AP3426_WriteOneByte(SYS_CONFIG_ADDR, SYS_ALS_PS_IR_ACT); // IR+PS+ALS 三个都激活使用
HAL_Delay(50);
ret_value = AP3426_ReadOneByte(SYS_CONFIG_ADDR); // 读取配置寄存器值
if(ret_value != SYS_ALS_PS_IR_ACT) // 判断是否与设置的一致
{
     
return 1; }
printf("I2C 配置寄存器：0x%x\n\r", SYS_CONFIG_ADDR);
printf("I2C 配置值为：0x%x\n\r", SYS_ALS_PS_IR_ACT);
printf("I2C 读取到的配置值：0x%x\n\r", ret_value);
return 0; }

• 11行：复位AP3426；
• 14行：设置AP3426的IR（环境红外光）、PS（距离感应）、ALS（光照强度）都激活使用；
• 16~20行：读取System Control寄存器的值，以便确认是否设置正确；
• 21~23行：打印调试信息；

初始化配置完后，就可以读取AP3426寄存器数据，如图 20.3.4 所示，分别是IR、ALS、PS的数据寄存器，每个数据占据相邻两位。以IR为例，分别读取IR_DATA_LOW(0x0A)的8位和IR_DATA_HIGH(0x0B)寄存器的低两位，再合并就得到IR的数据，同理可以得到ALS、PS的数据，如代码段 20.3.7 所示。

代码段 20.3.7 获取 AP3426 数据（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：void AP3426_Read_IR_Data(uint16_t *pIR)
* 输入参数：无
* 输出参数：IR 数据
* 返回值：无
* 函数作用：读 AP3426 IR(环境红外光)数据
*/
void AP3426_Read_IR_Data(uint16_t *pIR)
{
     
uint8_t ir_l = 0, ir_h = 0;
ir_l = AP3426_ReadOneByte(IR_DATA_LOW);
ir_h = AP3426_ReadOneByte(IR_DATA_HIGH);
if( (ir_l&0x80) == 0x80) // Invalid IR and PS data
{
      *pIR = 0; }
else // ir_l Bit[1:0] is data, ps_l bits[3:0] ans ps_h bits[5:0] is data
{
      *pIR = (ir_h<<8) | (ir_l&0x03);
} }
/*
* 函数名：void AP3426_Read_PS_Data(uint16_t *pPS)
* 输入参数：无
* 输出参数：PS 数据
* 返回值：无
* 函数作用：读 AP3426 PS(距离)数据
*/
void AP3426_Read_PS_Data(uint16_t *pPS)
{
     
uint8_t ps_l = 0, ps_h = 0;
ps_l = AP3426_ReadOneByte(PS_DATA_LOW);
ps_h = AP3426_ReadOneByte(PS_DATA_HIGH);
if( (ps_l&0x40)==0x40) // Invalid IR and PS data
{
      *pPS = 0; }
else // ir_l Bit[1:0] is data, ps_l bits[3:0] ans ps_h bits[5:0] is data
{
      *pPS = ((ps_h&0x1F)<<8) | (ps_l&0x0F);
} }
/*
* 函数名：vvoid AP3426_Read_ALS_Data(uint16_t *pALS)
* 输入参数：无
* 输出参数：ALS 数据
* 返回值：无
* 函数作用：读 AP3426 ALS(光照)数据
*/
void AP3426_Read_ALS_Data(uint16_t *pALS)
{
     
uint8_t als_l = 0, als_h = 0;
als_l = AP3426_ReadOneByte(ALS_DATA_LOW);
als_h = AP3426_ReadOneByte(ALS_DATA_HIGH); *pALS = (als_h<<8) | (als_l);
}

然后将三个读取函数，封装并打印读取结果。
代码段 20.3.8 AP3426 测试函数（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：void AP3426_ReadDataTest(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：测试读取 AP3426 所有数据
*/
void AP3426_ReadDataTest(void) {
     
uint16_t ir = 0, ps = 0, als = 0;
AP3426_Read_IR_Data(&ir);
AP3426_Read_PS_Data(&ps);
AP3426_Read_ALS_Data(&als);
printf("\n\r");
printf("AP3426 IR = 0x%x\n\r", ir);
printf("AP3426 PS = 0x%x\n\r", ps);
printf("AP3426 ALS = 0x%x\n\r", als); }

最后还需设置调试串口和用户按键，相关代码这里不在赘述。

4. 主函数控制逻辑
   在主函数里，每按一下按键，调用“AP3426_ReadDataTest()”获取一次AP3426数据，如代码段 20.3.9所示。
   代码段 20.3.9 主函数控制逻辑（main.c）

// 初始化按键
KeyInit();
// 在 windows 下字符串\n\r 表示回车
// 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“ --locale=english”
printf("**********************************************\n\r");
printf("-->百问科技：www.100ask.net\n\r");
printf("-->硬件 I2C 读取 AP3426 实验\n\r");
printf("**********************************************\n\r");
// 初始化 I2C
I2C_Init();
// 初始化 AP3426
AP3426_Init();
while(1) {
     
if(key_flag) // 按键按下
{
     
key_flag = 0;
AP3426_ReadDataTest(); // 读取 AP3426 数据
} }

20.4 实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\ 12_通信—硬件I2C\”。打开工程后，编译，下载，按下按键KEY1（KEY_U）即可获取一次AP3426数据并在串口打印。

AP3426在图 3.3.1 中编号37处。分别在正常情况、手电筒照射AP3426、遮住AP3426的情况下，获取数据如图 20.4.1 所示。

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