STM32 HAL库 STM32CubeMX -- I2C(IIC)

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一、I2C 协议简介

I2C 通讯协议(Inter - Integrated Circuit) 也就是IIC;

由Phiilps 公司开发的,它引脚少,硬件实现简单,可扩展性强,不需要USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备。

I2C协议分为物理层和协议层。

物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性,确保原始数据在物理媒体的传输。

协议层主要规定通讯逻辑,统一收发双方的数据打包、解包标准。

简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流,协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

I2C 物理层

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I2C的物理层有如下特点:

(1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C 通讯总线中,可连接多个I2C 通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。

(2) 一个I2C 总线只使用两条总线线路,一条双向串行数据线(SDA) ,一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据,时钟线用于数据收发同步。

(3) 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之间的访问。

(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。

(5) 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由哪个设备占用总线。

(6) 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3.4Mbit/s, 但目前大多I2C 设备尚不支持高速模式。

(7) 连接到相同总线的IC 数量受到总线的最大电容400pF 限制。

I2C协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

主机写数据到从机(写数据)
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广播完地址,接收到应答信号后,主机开始正式向从机传输数据(DATA),数据包的大小为8 位,主机每发送完一个字节数据;

要等待从机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以向从机传输N 个数据,这个N 没有大小限制;

当数据传输结束时,主机向从机发送一个停止传输信号§,表示不再传输数据;

主机由从机中读数据(读数据)

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广播完地址,接收到应答信号后,从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为8 位,从机每发送完一个数据;

等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以返回N 个数据,这个N 也没有大小限制;

当主机希望停止接收数据时,就向从机返回一个非应答信号(NACK),则从机自动停止数据传输。

通讯复合格式(读和写数据)

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I2C 通讯常用的是复合格式

该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中,主机通过SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后,发送一段“数据”,这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS 的区别);

在第二次的传输中,对该地址的内容进行读或写。也就是说,第一次通讯是告诉从机读写地址,第二次则是读写的实际内容。

通讯的起始和停止信号

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当SCL 线是高电平时SDA线从高电平向低电平切换,这个情况表示通讯的起始。
当SCL 是高电平时SDA 线由低电平向高电平切换,表示通讯的停止。

起始和停止信号一般由主机产生。

数据有效性

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I2C 使用SDA 信号线来传输数据,使用SCL 信号线进行数据同步。

SDA 数据线在SCL 的每个时钟周期传输一位数据。
传输时,SCL 为高电平的时候SDA 表示的数据有效,即此时的SDA 为高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”。
当SCL 为低电平时,SDA 的数据无效,一般在这个时候SDA 进行电平切换,为下一次表示数据做好准备。

每次数据传输都以字节为单位,每次传输的字节数不受限制。

地址及数据方向

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I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址,主机发起通讯时,通过SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS) 来查找从机。

I2C 协议规定设备地址可以是7 位或10 位。

紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是数据方向位(R/),第8位或第11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据,该位为“0”时表示主机向从机写数据。

读数据方向时,主机会释放对SDA 信号线的控制,由从机控制SDA 信号线,主机接收信号,写数据方向时,SDA 由主机控制,从机接收信号。

响应

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I2C 的数据和地址传输都带响应。

响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

作为数据接收端时,当设备(无论主从机) 接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后,若希望对方继续发送数据,则需要向对方发送“应答(ACK)”信号,发送方会继续发送下一个数据;
若接收端希望结束数据传输,则向对方发送“非应答(NACK)”信号,发送方接收到该信号后会产生一个停止信号,结束信号传输。

传输时主机产生时钟,在第9 个时钟时,数据发送端会释放SDA 的控制权,由数据接收端控制SDA,若SDA 为高电平,表示非应答信号(NACK),低电平表示应答信号(ACK)。

I2C架构

STM32 的I2C 外设可用作通讯的主机及从机,支持100Kbit/s 和400Kbit/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。它的I2C 外设还支持SMBus2.0 协议。

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通讯引脚

I2C 的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL 线和SDA 线展开的(其中的SMBA 线用于SMBUS 的警告信号,I2C 通讯没有使用)。

STM32 芯片有多个I2C 外设,它们的I2C 通讯信号引出到不同的GPIO 引脚上,使用时必须配置到这些指定的引脚。

引脚 I2C1 I2C2
SCL PB6 / PB8(重映射) PB10
SDA PB7 / PB9(重映射) PB11

时钟控制逻辑

SCL 线的时钟信号,由I2C 接口根据时钟控制寄存器(CCR) 控制,控制的参数主要为时钟频率。

配置I2C 的CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数:
I2C 通讯的 “标准/快速”模式,这两个模式分别I2C 对应100/400Kbit/s 的通讯速率。
快速模式下可选择SCL 时钟的占空比,可选Tlow/Thigh=2 或Tlow/Thigh=16/9 模式,我们知道I2C 协议在SCL 高电平时对SDA 信号采样,SCL 低电平时SDA 准备下一个数据,修改SCL 的高低电平比会影响数据采样,但其实这两个模式的比例差别并不大。

CCR 寄存器中还有一个12 位的配置因子CCR,它与I2C 外设的输入时钟源共同作用,产生SCL 时钟,STM32 的I2C 外设都挂载在APB1 总线上,使用APB1 的时钟源PCLK1,SCL信号线的输出时钟公式如下:

标准模式:

Thigh=CCRTPCKL1 Tlow = CCRTPCLK1
快速模式中Tlow/Thigh=2 时:
Thigh = CCRTPCKL1 Tlow = 2CCRTPCKL1
快速模式中Tlow/Thigh=16/9 时:
Thigh = 9
CCRTPCKL1 Tlow = 16CCR*TPCKL1

例如,我们的PCLK1=36MHz,想要配置400Kbit/s 的速率,计算方式如下:
PCLK 时钟周期:TPCLK1 = 1/36000000
目标SCL 时钟周期:TSCL = 1/400000
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

计算结果得出CCR 为30,向该寄存器位写入此值则可以控制IIC 的通讯速率为400KHz。

数据控制逻辑

I2C 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。

若使能了数据校验,接收到的数据会经过PCE 计算器运算,运算结果存储在“PEC 寄存器”中。

当STM32 的I2C 工作在从机模式的时候,接收到设备地址信号时,数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32 的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较,以便响应主机的寻址。

STM32 的自身I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改,支持同时使用两个I2C 设备地址,两个地址分别存储在OAR1 和OAR2 中。

整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个I2C 外设,控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。

在外设工作时,控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1 和SR2)”,我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位,就可以了解I2C 的工作状态。

除此之外,控制逻辑还根据要求,负责控制产生I2C 中断信号、DMA 请求及各种I2C 的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

通讯过程

使用I2C 外设通讯时,在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及SR2)”的不同数据位写入参数,我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器

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主发送器发送流程:

(1) 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送;

(2) 紧接着发送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 为1 表示地址已经发送,TXE 为1 表示数据寄存器为空;

(3) 以上步骤正常执行并对ADDR 位清零后,我们往I2C 的“数据寄存器DR”写入要发送的数据,这时TXE 位会被重置0,表示数据寄存器非空,I2C 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 位被置1,重复这个过程,就可以发送多个字节数据了;

(4) 当我们发送数据完成后,控制I2C 设备产生一个停止信号§,这个时候会产生EV8_2 事件,SR1 的TXE 位及BTF 位都被置1,表示通讯结束。
假如我们使能了I2C 中断,以上所有事件产生时,都会产生I2C 中断信号,进入同一个中断服务函数,到I2C 中断服务程序后,再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

主接收器

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主接收器接收流程:

(1) 同主发送流程,起始信号(S) 是由主机端产生的,控制发生起始信号后,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送;

(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号,若有从机应答,则产生事件“EV6”这时SR1 寄存器的“ADDR”位被置1,表示地址已经发送。

(3) 从机端接收到地址后,开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后,会产生“EV7”事件,SR1 寄存器的RXNE 被置1,表示接收数据寄存器非空,我们读取该寄存器后,可对数据寄存器清空,以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C 发送应答信号(ACK) 或非应答信号(NACK),若应答,则重复以上步骤接收数据,若非应答,则停止传输;

(4) 发送非应答信号后,产生停止信号( P ),结束传输。

在发送和接收过程中,有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位,还可能同时标志主机状态之类的状态位,而且读了之后还需要清除标志位,比较复杂。

二、STM32Cube MX配置

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STM32的I2C协议也支持SMBus模式(一般用于笔记本电池管理)

Master features  主模式特性
I2C Speed Mode: IIC模式设置 快速模式和标准模式。
I2C Clock Speed: I2C传输速率,默认为100KHz

Slave features  从模式特性
Clock No Stretch Mode: 时钟没有扩展模式

	IIC时钟拉伸(Clock stretching)
	clock stretching通过将SCL线拉低来暂停一个传输.直到释放SCL线为高电平,传输才继续进行.
	clock stretching是可选的,实际上大多数从设备不包括SCL驱动,所以它们不能stretch时钟.

Primary Address Length selection: 从设备地址长度 设置从设备的地址是7bit还是10bit 大部分为7bit
Dual Address Acknowledged: 双地址确认
Primary slave address:  从设备初始地址文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-415469.html

三、I2C HAL库函数

 //IIC写函数
 HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
功能:HAL库 IIC写数据
参数:
*hi2c 设置使用的IIC 名称 例:&hi2c1
DevAddress 写入的地址 例 0xA0
*pData 需要写入的数据的地址
Size 要发送的字节数
Timeout 最大传输时间,超过传输时间将自动退出传输函数

//示例: HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1,0xA0,(uint8_t*)tx_data,100,1000);

//IIC读函数
HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
功能:HAL库 IIC读一个字节
参数:
*hi2c: 设置使用的是那个IIC 名称 例:&hi2c1
DevAddress: 读取的地址 例 0xA0
*pData: 存储读取到的数据的地址
Size: 接收的字节数
Timeout: 最大读取时间,超过时间将自动退出读取函数

//示例: HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1,0xA0,(uint8_t*)rx_data,100,1000);

HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
功能:HAL库 IIC写数据函数
参数: 
*hi2c: 设置使用的是那个IIC 名称 例:&hi2c1
DevAddress: 从机设备地址 
MemAddress:从机寄存器地址
MemAddSize:从机寄存器地址长度
*pData: 存储读取到的数据的地址
Size: 接收的字节数
Timeout: 最大读取时间,超过时间将自动退出写入函数

到了这里,关于STM32 HAL库 STM32CubeMX -- I2C(IIC)的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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