芯课堂 | SWM341 I2C 接口应用
一、I2C 简介
物理连接
I2C总线由时钟线SCL、数据线SDA两根线构成，连接在其上的设备分为主机和从机两种，I2C上的通信全部由主机发起。
I2C设备对总线的输出采用开漏输出结构，即它只有在总线和GND之间的NMOS管，没有总线和VDD之间的PMOS管。输出0时通过开启NMOS管将总线与GND短接；输出1时无法像推挽输出那样开启PMOS管将总线与VDD短接，而是只能通过关闭NMOS从而由外接的上拉电阻将总线拉到高电平。
由于上拉电阻阻值一般比较大（10K欧姆），因此如果此时有其他I2C设备输出0，总线会被拉到低电平。只有当总线上的所有设备都不输出0时，总线才是高电平；只要有一个设备输出0，总线就是低电平，这也就是所谓的“线与”。这是I2C总线应答与多主机通信的基础。
协议格式 
0、空闲时总线上所有设备都不驱动总线，即都不开启NMOS管，总线由外部上拉电阻拉到高电平。
1、I2C上的通信全部由主机发起，主机通过发送起始位启动传输，起始位由SCL为高时SDA线上的下降沿产生。
2、起始位后面跟7位地址和1位读写方向指示（0表示主机向从机写入，1表示主机从从机读取），主机发送完这8位后停止驱动总线，总线由外部上拉电阻拉到高电平，被寻址的从机输出0将总线拉低。主机检测到这个低电平，就知道从机可以相应主机请求，可以进行数据传输。
3、数据传输阶段，若R/W=0，则主机发送数据，从机发送响应；若R/W=1，则从机发送数据，主机发送响应，每传输一个字节数据，后面都跟一个响应位。
4、数据传输完成后，主机发送停止位终止传输，终止位由SCL为高时SDA线上的上升沿产生。
5、由于SCL为高时，SDA的上升沿、下降沿均有特殊含义，因此I2C中数据传输时，SDA只在SCL为低时变化，在SCL为高时保持不变。即发送方在SCL为低时改变SDA状态，接收方在SCL上升沿读取SDA状态。
二、SWM341 I2C 接口
功能框图
SWM341 I2C 的核心是一个双向移位寄存器，发送时，数据通过TXDATA寄存器写入移位寄存器，然后按位移除到SDA引脚；接收时，将SDA引脚状态移入移位寄存器，通过RXDATA寄存器读出。
移位寄存器的移位节拍来自内部I2C时钟分频器（主机模式下）或SCL引脚（从机模式下），主机模式下时钟分频器产生的时钟同时输出到SCL引脚，驱动总线上的I2C从机的移位寄存器。
使用示例：读写 EEPROM AT24C024
int main(void)
{
uint32_t i;
uint8_t ack;
SystemInit();
SerialInit();
I2CMstInit();
while(1==1)
{
/*************** EEPROM Write ***************/
ack = I2C_Start(I2C0, (SLV_ADDR << 1) | 0, 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for address\r\n");
goto nextloop;
}
ack = I2C_Write(I2C0, MEM_ADDR, 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for memory address\r\n");
goto nextloop;
}
for(i = 0; i < 4; i++)
{
ack = I2C_Write(I2C0, txbuff[i], 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for data\r\n");
goto nextloop;
}
}
I2C_Stop(I2C0, 1);
printf("Master Write %X %X %X %X @ %X\r\n", txbuff[0], txbuff[1], txbuff[2], txbuff[3], MEM_ADDR);
for(i = 0; i < 1000000; i++) __NOP(); // 延时等待内部写入操作完成
/*************** EEPROM Read ***************/
ack = I2C_Start(I2C0, (SLV_ADDR << 1) | 0, 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for address\r\n");
goto nextloop;
}
ack = I2C_Write(I2C0, MEM_ADDR, 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for memory address\r\n");
goto nextloop;
}
for(i = 0; i < CyclesPerUs; i++) __NOP(); // 不加此延时，系统主频高于 100MHz 时，re-start 发不出来
ack = I2C_Start(I2C0, (SLV_ADDR << 1) | 1, 1);
if(ack == 0)
{
printf("Slave send NACK for address\r\n");
goto nextloop;
}
for(i = 0; i < 3; i++)
{
rxbuff[i] = I2C_Read(I2C0, 1, 1);
}
rxbuff[i] = I2C_Read(I2C0, 0, 1);
printf("Master Read %X %X %X %X @ %X\r\n", rxbuff[0], rxbuff[1], rxbuff[2], rxbuff[3], MEM_ADDR);
if((txbuff[0] == rxbuff[0]) && (txbuff[1] == rxbuff[1]) && (txbuff[2] == rxbuff[2]) && (txbuff[3] == rxbuff[3]))
printf("Success\r\n");
else
printf("Fail\r\n");
nextloop:
I2C_Stop(I2C0, 1);
for(i = 0; i < SystemCoreClock/3; i++) __NOP();
}
}
I2C_Start()的参数是7位从机地址和读写方向选择位，调用该函数在I2C总线上产生起始位，然后发送地址和方向位，读取从机响应位ACK并返回。执行该函数后需要检查返回的从机响应ack，若有从机相应，则继续后续读写操作；若没有从机相应，则打印调试信息然跳转到程序末尾。
EEPROM AT24C02 的 Page Write 帧格式如下
设备地址后，需要发送要将数据写入EEPROM的位置（Word Address），然后再发送要写入的数据。程序中首先执行 I2C_Write(I2C0, MEM_ADDR, 1) 发送数据在EEPROM中的存储位置，然后执行 I2C_Write(I2C0, txbuff[i], 1) 将要写入 EEPROM的数据逐个发出。最后执行 I2C_Stop(I2C0, 1) 在总线上产生停止条件，终止数据传输。
需要注意的是，以上操作只是将要写入EEPROM的数据通过I2C接口写入EEPROM内部缓存中，EEPROM还需要一定时间将缓存中的数据写入实际存储介质中。若此时立即读取EEPROM，读取到的依然会是写入之前的数据。查手册可知，AT24C02 的写入时间大概 5ms。
AT24C02 的读取操作与上述的写入操作类似，唯一不同的是，在读取操作中，响应ACK由主机发送、从机检查，I2C_Read()调用中需要给出本次读取后响应ACK还是NAK（即不响应，不在ACK位时将SDA拉低）。在读取前面的数据时，需要响应ACK，以通知从机准备好后续数据；读取最后一个数据时，最好响应NAK，通知从机主机不再需要后续数据。