普冉（PUYA）单片机开发笔记(10): I2C通信-配置从机

概述

I2C 常用在某些型号的传感器和 MCU 的连接，速率要求不高，距离很短，使用简便。

I2C的通信基础知识请参见《基础通信协议之 IIC详细讲解 - 知乎》。

PY32F003 可以复用出一个 I2C 接口（PA3：SCL，PA2：SDA），可以和 DMA 配合完成 I2C 的主从通信。厂家的数据手册对 I2C 接口简述如下图。

要完成 I2C 的通信实验需要两个 MCU。这里现尝试着配置好 I2C 的从机，下一篇再配置 I2C 的主机，并完成两者的通信实验。

代码实现的步骤

1. 在 py32f0xx_hal_conf.h 文件中增加对 I2C 的引用

在 Exported constances 一节中将 #define HAL_I2C_MODULE_ENABLED 的注释打开，打开对 I2C 功能的引用函数。打开后的代码节选如下。

/* Exported constants --------------------------------------------------------*/

/* ########################## Module Selection ############################## */
/**
  * @brief This is the list of modules to be used in the HAL driver 
  */
#define HAL_MODULE_ENABLED  
#define HAL_RCC_MODULE_ENABLED
#define HAL_ADC_MODULE_ENABLED   
//#define HAL_CRC_MODULE_ENABLED   
//#define HAL_COMP_MODULE_ENABLED  
#define HAL_FLASH_MODULE_ENABLED   
#define HAL_GPIO_MODULE_ENABLED    
//#define HAL_IWDG_MODULE_ENABLED  
//#define HAL_WWDG_MODULE_ENABLED 
#define HAL_TIM_MODULE_ENABLED 
#define HAL_DMA_MODULE_ENABLED
#define HAL_LPTIM_MODULE_ENABLED  
#define HAL_PWR_MODULE_ENABLED
#define HAL_I2C_MODULE_ENABLED 
#define HAL_UART_MODULE_ENABLED 
//#define HAL_SPI_MODULE_ENABLED  
//#define HAL_RTC_MODULE_ENABLED   
//#define HAL_LED_MODULE_ENABLED 
//#define HAL_EXTI_MODULE_ENABLED
#define HAL_CORTEX_MODULE_ENABLED  
/* ########################## Oscillator Values adaptation ####################*/

2. 在 main.h 中添加 I2C 相关的函数声明

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void);
* @brief  : i2c 初始化
* @param  : 
* @retval : HAL_OK: 写入成功; 其它: 错误
* @remark : 上级函数必须检查操作返回值, 只有 HAL_OK 时才可继续操作
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void);

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief  : i2c 测试使用的三个函数, 接收/发送/等待
* @param  : 
* @retval : 
* @remark : 
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef app_i2c_receive(void);
HAL_StatusTypeDef app_i2c_transmit(void);
void app_i2c_wait(void);

3. 在 app_i2c.c 中实现这些函数

在 Application/User 组中增加一个 app_i2c.c 文件。

/**
 ******************************************************************************
 * @file    app_i2c.c
 * @brief   I2C functions.
 ******************************************************************************
 * @copyright
 *
 * Copyright (c) 2023 CuteModem Intelligence.
 * All rights reserved.
 *
 * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
 * in the root directory of this software component.
 * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
 *
 ******************************************************************************
 */
 
#include "main.h"
 
#define EXDATA_LEN    15                 // 数据长度
#define I2C_ADDRESS   0xA0               // 本机地址0xA0
#define I2C_SPEEDBPS  100000             // 通讯速度100K
#define I2C_DUTYCYCLE I2C_DUTYCYCLE_16_9 // 占空比

I2C_HandleTypeDef I2cHandle;
uint8_t mI2cTxBuf[EXDATA_LEN] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15};
uint8_t mI2cRxBuf[EXDATA_LEN] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0};

HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void)
{
    HAL_StatusTypeDef cfg_res = HAL_OK;
    
    I2cHandle.Instance             = I2C;                       // I2C
    I2cHandle.Init.ClockSpeed      = I2C_SPEEDBPS;              // I2C 通讯速度
    I2cHandle.Init.DutyCycle       = I2C_DUTYCYCLE;             // I2C 占空比
    I2cHandle.Init.OwnAddress1     = I2C_ADDRESS;               // I2C 地址
    I2cHandle.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;   // 禁止广播呼叫
    I2cHandle.Init.NoStretchMode   = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;     // 允许时钟延长
    cfg_res = HAL_I2C_Init(&I2cHandle);                         //I2C初始化

    if (cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
    return cfg_res;
}

HAL_StatusTypeDef app_i2c_receive(void)
{
    /*I2C从机中断方式接收*/
    while (HAL_I2C_Slave_Receive_IT(&I2cHandle, (uint8_t *)mI2cRxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    return HAL_OK;
}
    
HAL_StatusTypeDef app_i2c_transmit(void)
{
    /*I2C从机中断方式发送*/
    while (HAL_I2C_Slave_Transmit_IT(&I2cHandle, (uint8_t *)mI2cTxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    return HAL_OK;
}

void app_i2c_wait(void)
{
    /* 判断当前I2C状态, 等待I2C状态就绪 */
    while (HAL_I2C_GetState(&I2cHandle) != HAL_I2C_STATE_READY);
}

首先定义了4个常量。

• 交换数据的长度 EXDATA_LEN（Exchange Data Length）
• 本机的 I2C 地址为 0xA0
• I2C 的通信速率定为 100Kbps
• 高速模式下 I2C 总线的占空比为 9/16

接着定义了 mI2CTxBuf 和  mI2CRxBuf 两个缓冲区变量，长度为 EXDATA_LEN

初始化函数很简单，这里设置了“禁止广播呼叫”

接收、发送函数都使用了中断式模式，并使用了等待方式，一直到发送/接收完毕才会返回

等待函数就是循环读 I2C 的 State 标志，直到 I2C 空闲为止

4. 在 py32f0xx_hal_msp.c 增加 i2c 的外设初始化

static DMA_HandleTypeDef HdmaCh1;
static DMA_HandleTypeDef HdmaCh2;

...
...

/**
 * -----------------------------------------------------------------------
 * @name   : void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
 * @brief  : 初始化I2C相关MSP
 * @param  : [in] *hi2c, I2C handler pointer
 * @retval : void
 * @remark :
 * -----------------------------------------------------------------------
*/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();                              //SYSCFG时钟使能
    __HAL_RCC_DMA_CLK_ENABLE();                                 //DMA时钟使能
    __HAL_RCC_I2C_CLK_ENABLE();                                 //I2C时钟使能
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                               //GPIOA时钟使能

    /**I2C GPIO Configuration
    PA3 : I2C1_SCL
    PA2 : I2C1_SDA
    */
    GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_OD;                //推挽方式
    GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;                    //上拉
    GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_I2C;                  //复用为I2C
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);                     //GPIO初始化
    /*复位I2C*/
    __HAL_RCC_I2C_FORCE_RESET();
    __HAL_RCC_I2C_RELEASE_RESET();

    /* I2C1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(I2C1_IRQn, 0, 0);                     //中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(I2C1_IRQn);                              //使能I2C中断

    //DMA配置
    HAL_SYSCFG_DMA_Req(9);                                      //DMA1_MAP选择为IIC_TX
    HAL_SYSCFG_DMA_Req(0xA00);                                  //DMA2_MAP选择为IIC_RX

    /* Configure the DMA handler for Transmission process */
    HdmaCh1.Instance                 = DMA1_Channel1;           // 选择DMA通道1
    HdmaCh1.Init.Direction           = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;    // 方向为从存储器到外设
    HdmaCh1.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE;        // 禁止外设地址增量
    HdmaCh1.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;         // 使能存储器地址增量
    HdmaCh1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;     // 外设数据宽度为8位
    HdmaCh1.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE;     // 存储器数据宽度位8位
    HdmaCh1.Init.Mode                = DMA_NORMAL;              // 禁止循环模式
    HdmaCh1.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_VERY_HIGH;  // 通道优先级为"很高"

    HAL_DMA_Init(&HdmaCh1);                                     // 初始化DMA通道1
    __HAL_LINKDMA(hi2c, hdmatx, HdmaCh1);                       // DMA1 关联 IIC_TX

    /* Configure the DMA handler for Transmission process */
    HdmaCh2.Instance                 = DMA1_Channel2;           // 选择DMA通道1
    HdmaCh2.Init.Direction           = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;    // 方向为从外设到存储
    HdmaCh2.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE;        // 禁止外设地址增量
    HdmaCh2.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;         // 使能存储器地址增量
    HdmaCh2.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;     // 外设数据宽度为8位
    HdmaCh2.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE;     // 存储器数据宽度位8位
    HdmaCh2.Init.Mode                = DMA_NORMAL;              // 禁止循环模式
    HdmaCh2.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_HIGH;       // 通道优先级为高

    HAL_DMA_Init(&HdmaCh2);                                     // 初始化DMA通道1
    __HAL_LINKDMA(hi2c, hdmarx, HdmaCh2);                       // DMA1 关联 IIC_RX

    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn, 1, 1);             // 中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);                     // 使能DMA通道1中断

    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel2_3_IRQn, 0, 1);           // 中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel2_3_IRQn);                   // 使能DMA通道2_3中断
}

指定 PA3 管脚为 I2C_SCL， PA2 管脚为 I2C_SDA。

为 I2C 分配高优先级

使用  HAL_SYSCFG_DMA_Req() 把 DMA1 的通道1和通道2分别映射到 I2C 的 TX 和 RX

配置 DMA1 的两个通道，注意收发通道的方向，TX 是内存->外设，RX是外设->内存；

    HdmaChx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    HdmaChx.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE;

是因为收发的都是 uint8_t 型的数据，是BYTE（字节）型的，也是因为PY32F003 的 I2C DMA 的收发缓冲区是单字节的。

本实验中着重考察 I2C 的通信，所以把 HdmaChx.Init.Priority 设置得都比较高，应用中不一定设置那么高的优先级，这个要看应用的需求。

5. 在 py32f0xx_hal_it.c 中增加对 I2C 和 DMA 的中断服务程序

#include "main.h"
#include "py32f0xx_it.h"

extern UART_HandleTypeDef UartHandle;
extern TIM_HandleTypeDef  htim16;
extern TIM_HandleTypeDef  htim1;
extern ADC_HandleTypeDef  hadcdma;
/* Add for I2C functionalities */
extern I2C_HandleTypeDef I2cHandle;

...
...

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(I2cHandle.hdmatx);
}

void DMA1_Channel2_3_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(I2cHandle.hdmarx);
}

void I2C1_IRQHandler(void)
{
    HAL_I2C_EV_IRQHandler(&I2cHandle);
    HAL_I2C_ER_IRQHandler(&I2cHandle);
}

...
...

注意 DMA1_Channel1 是为 TX 服务的，因此执行的是 HAL_DMA_IRQHandler(I2CHandler.hdmatx)，注意是hdma"t"x；DMA2_Channl2_3 是为 RX 服务的，因此执行的是 HAL_DMA_IRQHandler(I2CHandle.hdmarx)，注意是hdma“r”x。

不要忘记了 I2C_IRQHander() 中把 EV 和 ER 两个都放进去。

编译和运行

按照上述步骤，编译没有告警和错误；F8 下载到开发板。由于还没有主机通信，只能看到串口的输出，并且串口收发正常。LED 灯没有闪烁，说明正在等待和主机完成通信。

今天先到这里啦，等主机（Master）板子的代码写好，两台 MCU 做通信实验。