STM32单片机——IIC概念与协议软件模及固件库配置

IC2协议简介

I2C 是很常见的一种总线协议，I2C 是飞利浦公司在80年代开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。IIC属于半双工同步通信方式。I2C 使用两条线在主控制器和从机之间进行数据通信。

I2C协议总线构成

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(双向串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信。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直接的访问。下图是I2C总线系统结构具体电路原理图。

I2C总线物理层特点

• 总线通过上拉电阻接到电源。当IIC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，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哪个设备占用总线。
• 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3.4M/s，但目前大多IIC设备尚不支持高速模式。

软硬件I2C比较

硬件IIC：对应芯片上的IIC外设，有相对应的IIC驱动电路，其所使用的IIC管教也是专用的；
软件IIC：一般是用GPIO管教，用软件控制管脚状态以及模拟IIC通信波形；
区别：
　1. 硬件IIC的效率要远高于软件的，而软件IIC不受引脚限制，接口比较灵活。
　2. 软件IIC是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式，而硬件IIC是直接调用内部寄存器进行配置。

如何区分？
　1.硬件IIC用法复杂，模拟IIC流程更加清楚
　2.硬件IIC速度比模拟快，并且可以用DMA
　3.模拟IIC可以在任何管脚上，硬件IIC在固定管脚上

I2C协议通信方式

• 宏定义

  #define  SCLK_Set()    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)  			//PB0(SCL)输出高
  #define  SCLK_CLr()    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)			//PB0(SCL)输出低
  #define  SDIN_Set()    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)  			//PB1(SDA)输出高
  #define  SDIN_CLr()    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1) 			//PB1(SDA)输出低
  #define  READ_SDIN()   GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) 	//读取PB1(SDA)电平
  
  #define IIC_ACK  0 		 //应答
  #define IIC_NO_ACK  1 	 //不应答
  
  //对应模拟I2C引脚IO口初始化
  static void OLED_GPIO_Init(void)
  {
  	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;					//定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体
  	
  	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//打开GPIOC的外设时钟
  	
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;	//选择控制的引脚
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;		//设置为通用开漏输出
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		//设置输出速率为50MHz
  	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);					//调用库函数初始化GPIOA
  	
  	SCLK_Set();	//设PC2（SCL）为高电平
  	SDIN_Set();	//设PC3（SDA）为高电平
  }
  

空闲状态

• IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定位总线的空闲状态。

开始信号

• 当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

  static void IIC_Start(void)
  {
  	SCLK_Set();	//时钟线置高
  	SDIN_Set();	//数据线置高
  	delay_us(1);
  	SDIN_CLr();	//数据线置低，数据发送从高到低跳变
  	delay_us(1);
  	SCLK_CLr();	//时钟线置低
  	delay_us(1);
  }
  

停止信号

• 当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种高电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。起始信号和停止信号一般由主机产生
  

  static void OLED_IIC_Stop(void)
  {
  	//时钟线高时，数据从低到高跳变
  	SDIN_CLr();	//数据线置低
  	delay_us(1);
  	SCLK_Set();	//时钟线置高
  	delay_us(1);
  	SDIN_Set();	//数据线置高		
  	delay_us(1);		
  }
  

应答信号

• 发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。
• 应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应答位)表示接收器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)，一般表示接收器接收该字节没有成功。
• 对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第九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。
  

  //模拟I2C读取从机应答信号
  static unsigned char IIC_Wait_Ack(void)
  {
  	unsigned char ack;
  
  	SCLK_CLr();	//时钟线置低
  	delay_us(1);
  	SDIN_Set();	//信号线置高
  	delay_us(1);
  	SCLK_Set();	//时钟线置高
  	delay_us(1);
  
  	if(READ_SDIN())			//读取SDA的电平
  		ack = IIC_NO_ACK;	//如果为1，则从机没有应答
  	else
  		ack = IIC_ACK;		//如果为0，则从机应答
  
  	SCLK_CLr();//时钟线置低
  	delay_us(1);
  
  	return ack;	//返回读取到的应答信息
  }
  

数据的有效性

• IIC总线进行数据传输时
• 时钟信号为高电平，数据线上的数据必须保持稳定
• 时钟线上为低电平，数据线上电平状态才允许变化
• SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据
  即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定
  

数据传输

• 在IIC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，高位先行。数据位的传输是边沿触发。

I2C读写数据函数

• I2C读取一个字节Byte

  //I2C读取一个字节Byte
  static void Write_IIC_Byte(unsigned char IIC_Byte)
  {
  	unsigned char i;  		//定义变量
  	for(i=0;i<8;i++) 			//for循环8次
  	{
  		SCLK_CLr();					//时钟线置低，为传输数据做准备
  		delay_us(1);
  
  		if(IIC_Byte & 0x80)	//读取最高位
  		  	SDIN_Set();			//最高位为1
  		else
  			SDIN_CLr();				//最高位为0
  
  		IIC_Byte <<= 1;  		//数据左移1位
  		delay_us(1);
  		SCLK_Set(); 				//时钟线置高，产生上升沿，发送数据
  		 delay_us(1);
  	}
  	SCLK_CLr();						//时钟线置低
  	delay_us(1);
  
  	while(IIC_Wait_Ack());//从机应答
  }
  

• I2C写命令

  //I2C写命令
  static void Write_IIC_Command(unsigned char IIC_Command)
  {
     OLED_IIC_Start();
     Write_IIC_Byte(0x78);	//写入从机地址，SD0 = 0
     Write_IIC_Byte(0x00);	//写入命令
     Write_IIC_Byte(IIC_Command);//数据
     OLED_IIC_Stop();  			//发送停止信号
  }
  

• I2C写入数据

  static void Write_IIC_Data(unsigned char IIC_Data)
  {
     OLED_IIC_Start();
     Write_IIC_Byte(0x78);		//写入从机地址，SD0 = 0
     Write_IIC_Byte(0x40);		//写入数据
     Write_IIC_Byte(IIC_Data);//数据
     OLED_IIC_Stop();					//发送停止信号
  }
  

I2C标准库结构体解析及程序设计

• STM32 I2C的结构体

  typedef struct
  {
    uint32_t I2C_ClockSpeed;         //设置SCL时钟频率，不得高于4000000
  	
    uint16_t I2C_Mode;                //指定I2C工作模式，可选I2C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I2C设备地址
  
    uint16_t I2C_Ack;               //使能或关闭相应，一般是使能
  	
    uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度，可为7或10
  	
  }I2C_InitTypeDef;
  

• STM32 I2C常用库函数

  //配置自身设备地址2
  void I2C_OwnAddress2Config(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address);		
  //发送设备地址
  void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);
  //接收数据
  uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);
  //停止接收
  void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
  //外设开始正常工作
  void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
  

• I2C1 使能配置

  void I2C_Configuration(void)
  {
  	
  	I2C_InitTypeDef   I2C_InitStructure;				
  	GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;
  	
  	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB ,  ENABLE);	//使能GPIOB时钟
  	RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE );	//使能I2C1时钟
  	
  	//PB6 --SCL ;PB7 --SDA
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_OD;			//复用开漏
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   =  GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;	//I2C1   SCL:PB6   SDA: PB7
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =  GPIO_Speed_50MHz;
   	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);						//初始化GPIOB结构体
  
    	I2C_DeInit(I2C1);											//初始化I2C1
    	I2C_InitStructure.I2C_Ack  		 	=  I2C_Ack_Enable;		//使能应答
  	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress =  I2C_AcknowledgedAddress_7bit;		//7位地址
  	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed	= 400000 ; 				//时钟速度 400K
  	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle  	= I2C_DutyCycle_2 ;		//2分频  16:9
  	I2C_InitStructure.I2C_Mode 			=  I2C_Mode_I2C;		//I2C模式
  	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 	= 0X30 ;				//主机地址 随便写 不影响
  	I2C_Init(I2C1,&I2C_InitStructure );							//初始化结构体
  	I2C_Cmd(I2C1,ENABLE);											//使能I2C1
  }
  

• I2C写一个字节

  //I2C写一个字节
  void I2C_WriteByte(uint8_t addr,uint8_t data)
  {
  	
  	while (I2C_GetFlagStatus(I2C1,  I2C_FLAG_BUSY));  					//检查I2C总线是否繁忙
  	
  	I2C_GenerateSTART(I2C1,  ENABLE);                							//开启I2C1
  	while( !I2C_CheckEvent(I2C1,  I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); //EV5,主模式
  	
  	I2C_Send7bitAddress(I2C1,OLED_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter); //发送器件地址
  	while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
  	
  	I2C_SendData(I2C1,  addr);   //寄存器地址
  	while(!I2C_CheckEvent(I2C1,  I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING));
  	
  	I2C_SendData(I2C1,  data);   //发送数据
  	while(!I2C_CheckEvent(I2C1,  I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING));
  	
  	I2C_GenerateSTOP( I2C1,  ENABLE); //关闭I2C总线
  }
  

• I2C写命令

  //写命令
  void WriteCmd(unsigned char I2C_Command)
  {
     I2C_WriteByte(0X00,I2C_Command);
  }
  

• I2C写数据

  //写数据
  void WriteData(unsigned char I2C_Data)
  {
     I2C_WriteByte(0x40,I2C_Data);
  }