STM32通信---硬件I2C

I²C由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过该地址来访问不同设备。因为I²C协议比较简单，常常用GPIO来模拟I²C时序，这种方法称为模拟I²C。如果使用MCU的I²C控制器，设置好I²C控制器, I²C控制器就自动实现协议时序，这种方式称为硬件I²C。因为I²C设备的速率比较低，通常两种方式都可以，模拟I²C方便移植，硬件I²C工作效率相对较高。

1）空闲状态
I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。

2）开始信号与停止信号（是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号）
起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；
停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；

3）应答信号ACK
主机每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由从机反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示从机已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示从机接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，从机在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

4）数据有效性
I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。

5）数据的传送
在I2C总线上传送的每一"位"数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地"串行"传送每一位数据。

完整传输流程
I²C完整传输流程如下：
① SDA和SCL开始都为高，然后主机将SDA拉低，表示开始信号；

② 在接下来的8个时间周期（对应8个位）里，“主机控制SDA的高低，发送从机地址”。其中第8位如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输数据给从机；如果为1，表示接下来是读操作，即从机传输数据给主机；另外，数据传输是从最高位到最低位，因此传输方式为MSB（Most Significant Bit）。

③ 总线中对应从机地址的设备，发出应答信号；

④ 在接下来的8个时间周期里，如果是写操作，则主机控制SDA的高低；如果是读操作，则从机控制SDA的高低；

⑤ 每次传输完成一个字节的数据，接收数据的设备，都发出应答信号；

⑥ 最后，在SCL为高时，主机由低拉高SDA，表示停止信号，整个传输结束；

EEPROM和Flash的本质上是一样的，但从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而EEPROM存放用户数据，可能会反复修改。

EEPROM类型众多，本开发板上的EEPROM型号为AT24C02，其存储容量为2K Bit，2*1024=2048Bit=256Byte。

设备地址
每个连接到I2C总线的设备都有一个独立的地址，不同容量的AT24C02，设备地址定义会有所差异，由芯片数据手册《AT24Cxx.pdf》可知，如图 19.1.7 所示。

AT24C02的容量为2K，对应上图中的第一行，高四位固定为“1010”，中间三位由A2、A1、A0引脚的电平决定，比如A2~0引脚全接地，则值为“000”，最后的最低位为读写位，0代表写命令，1代表读命令。

读AT24Cxx
在随机地址读模式下，需要先发送设备地址，待读的数据地址，接着再重新发出开始信号，设备地址，读出数据，时序如图 19.1.13 所示。

②硬件实现协议：由STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。
STM32的IIC外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s和400Kbits/s的速率，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。

架构

· 通讯引脚
· 时钟控制逻辑
· 数据控制逻辑
· 整体控制逻辑

1.通讯引脚
STM32芯片有多个IIC外设，它们的IIC通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置这些指定的引脚。

2.时钟控制逻辑
SCL线的时钟信号，由IIC接口根据时钟控制寄存器（CCR）控制，控制的参数主要位时钟频率。

· 可选择IIC通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别对应100/400Kbits/s的通讯速率。

· 在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选T(low)/T(high) = 2或T(low)/T(high)=16/9模式。

· CCR寄存器中12位的配置因子CCR，它与IIC外设的输入时钟源共用作用，产生SCL时钟。STM32的IIC外设输入时钟源位PCKL1.

计算时钟频率
标准模式
T high = CCR T pckl1 T low= CCRTpclk1
快速模式中 Tlow/Tlow =2时：
Thigh = CCRTpckl1 T low = 2lowTpckl1
快速模式中 Tlow/Tlow =16/9时：
Thigh = 9CCRTpckl1 T low = 16low*Tpckl1

PCLK1 = 36MHz,想要配置400Kbits/s 方法：
PCLK时钟周期： TPCLK1 = 1/36 000 000
目标SCL时钟周期： TSCL = 1/400 000
SCL时钟周期内的高电平时间： Thigh = TSCL/3
SCL时钟周期内的低电平时间： Tlow = 2*TSCL/3
计算CCR的值 ： CCR = THIGH/TPCLK1 = 30
计算出来的值写入到寄存器即可

3.数据控制逻辑
IIC的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，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。

· 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。

1.主发送器通讯过程

· 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生。

· 发生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位1 表示地址已经发送，TEX表示数据寄存器为空。

· 往IIC的数据寄存器DR写入要发送的数据，这时TXE位会被充值0，表示数据寄存器非空，IIC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被置1，重复这个过程，可发送多个字节。

· 发送数据完成后，控制IIC设备产生一个停止信号P，这个时候产生EV2事件，SR1的TEX位及BTF位被置1，表示通讯结束。

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;     //设置SCL时钟频率，此值要低于400 000                                              
  uint16_t I2C_Mode;             //指定工作模式，可选IIC模式及SMBUS模式
  uint16_t I2C_DutyCycle;       //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9
  uint16_t I2C_OwnAddress1;  //自身的IIC设备地址   
  uint16_t I2C_Ack;                //使能或者关闭响应，一般是使能
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度，可为7或10
}I2C_InitTypeDef;

1： uint32_t I2C_ClockSpeed; //设置SCL时钟频率，此值要低于400 000
    （1）设置IIC的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过“运算”后把时钟因子写入到IIC的时钟控制寄存器CCR。而我们写入的这个参数值不得高于400Khz.

    （2）实际上由于CCR寄存器“不能写入小数类型”的时钟因子，影响到SCL的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯会稍微慢点以外，不会对IIC的标准通讯造成其他影响。

2：uint16_t I2C_Mode;      //指定工作模式，可选IIC模式SMBUS模式                                             
 
    （1）选择IIC的使用方式，有IIC模式（IIC_Mode_IIC）和SMBus主、从模式      (IIC_Mode_SMBusHost、IIC_Mode_SMBusDevice)
    
    （2）IIC不需要在此处区分主从模式，直接设置IIC_Mode_IICj即可

3：uint16_t I2C_DutyCycle; //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9
    （1）设置IIC的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为2：1(IIC_DutyCycle_2)和16：9
（IIC_DutyCycle_16_9）.

    （2）其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以了。

4：uint16_t I2C_OwnAddress1;  //自身的IIC设备地址
    （1）配置STM32的IIC设备自己的地址，每个连接到IIC总线上的设备都有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可以设置为“7位或10位（受下面IIC_AcknowledgeAddress成员决定）”，只要该地址是IIC总线上唯一的即可。
    （2）STM32的IIC外设“可同时使用两个地址”，即同时对两个地址作出响应，这个结构体成员IIC_OwnAddress1配置的是默认的，OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2,可使用
IIC_OwmAddress2Conig函数来配置，OAR2“不支持10位地址”。

5：uint16_t I2C_Ack;                //使能或者关闭响应，一般是使能
    （1）配置IIC应答是否使能，设置位使能则可以发送响应信号，一般配置位允许应答(IIC_Ack_Enable),这是绝大多数遵循IIC标准的设备的通讯要求，改为禁止应答（IIC_Ack_Disable）往往会导致通讯错误。   

6：uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度，可为7或10
    （1）选择IIC的寻址模式是7位或者是10位地址，这需要根据实际连接到IIC总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到IIC_OwnAddress成员，只有这里设置成10位模式时，IIC_OwnAddress1才支持10位地址

    （2）配置完这些结构体成员的值，调用库函数IIC_Init就可以把结构体的配置写入到对应的寄存器中了。              

·void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction); //发送设备地址

·uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);//接收数据

·void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState); //停止接收

·void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
//IIC外设开始正常工作