STM32单片机HAL库学习MacOS(5)——I2C通信

——Feb,21,2021

目录

本次项目采用正点原子STM32F407探索者开发版和STM32cubeIDE软件开发

• I2C协议介绍
• STM32上I2C的实现
• STM32F4探索者I2C实验

一、I2C协议介绍

1、I2C通信原理

• I2C通讯协议(Inter－Integrated Circuit)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，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。支持双向传输，但是由于公用数据线只能实现半双工通信，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式，一些设备还支持3.4MbHz高速模式。

• I2C通信硬件十分简单，最少仅需要2条数据线：

  • SDA (Serial Data, 串行数据 )

  • SCL (Serial Clock, 串行时钟 )

  • 在一些情况下需要额外的数据线寻址。

  • 物理层示意图：

  

• 设备连接和寻找：每个连接到总线的设备都有一个独立的地址（7位或10位），主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。其中地址若是7位二进制数表示的话，高四位为设备固有地址，后三位地址由用户设置，因此同一个设备最多可以连接8个。在通信开始后，主机发送的第一个字节为寻址信号，当从机的地址与寻址信号相匹配时才会与主机建立通信。

• 通信进程：S—>Slave Address—>R/W—>A—>Data->…->NA—>P

  (S：开始信号，A：应答信号，保证通信过程没有断开，NA：非应答信号，P：停止信号）

2、I2C时序图

• 起始信号(S)：当时钟线 (SCL线)为高时，数据线(SDA 线)从高到低；停止信号§：当时钟线 (SCL线)是高时，数据线(SDA 线)由低到高切换。

• 传输：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为高时SDA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为低时，SDA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。

• 应答：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。一般数据都是以字节（8bits）的形式发送在第九个CLK周期时，主机为接收模式等待从机的应答信号，若收到低电平为A信号，高电平为NA信号

  

二、STM32上I2C的实现

1、利用IO口模拟I2C实现通信

• 优点：可以用在任意引脚，方便外接外设；流程清楚，稳定；

• 缺点：占用CPU，效率不如；用IO口模拟，速度较慢；

• 实现方法：根据时序图软件编程

  • 初始化两个IO口分别作为SDA和SCL
  • S：主机发送模式，SCL为高时，SDA由高到低；P：主机发送模式，SCL为高时，SDA由低到高；
  • A：主机切换为接收模式，传输一字节后SDA先拉低，在拉高SCL，高电平在持续时间中重新拉高SDA。NA则SDA不拉低。
  • 数据传输：SCL为时钟，在SCL为高时数据有效。

  （软件实现要注意高低电平的建立时间和持续时间保证传输正确）

  • 代码可以参考正点原子

    //代码由正点原子提供
    #include "myiic.h"
    #include "delay.h"
    //IO方向设置
    #define SDA_IN()  {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=0<<9*2;}	//PB9输入模式
    #define SDA_OUT() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=1<<9*2;} //PB9输出模式
    //IO操作
    #define IIC_SCL   PBout(8) //SCL
    #define IIC_SDA   PBout(9) //SDA
    #define READ_SDA  PBin(9)  //输入SDA
    void IIC_Init(void)		//IIC初始化
    {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
        __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();   //使能GPIOB时钟
        //PH4,5初始化设置
        GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
        GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  //推挽输出
        GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          //上拉
        GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST;     //快速
        HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
        IIC_SDA=1;	//SDA输出1
        IIC_SCL=1;  //SCL输出1
    }
    void IIC_Start(void)	//产生IIC起始信号
    {
    	SDA_OUT();     //sda线输出
    	IIC_SDA=1;	  	  
    	IIC_SCL=1;
    	delay_us(4);
     	IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
    	delay_us(4);
    	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
    }	  
    void IIC_Stop(void)		//产生IIC停止信号
    {
    	SDA_OUT();//sda线输出
    	IIC_SCL=0;
    	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
     	delay_us(4);
    	IIC_SCL=1; 
    	IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    	delay_us(4);							   	
    }
    //等待应答信号到来
    //返回值：1，接收应答失败；0，接收应答成功
    u8 IIC_Wait_Ack(void)
    {
    	u8 ucErrTime=0;
    	SDA_IN();      //SDA设置为输入  
    	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
    	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
    	while(READ_SDA){
    		ucErrTime++;
    		if(ucErrTime>250){
    			IIC_Stop();
    			return 1;
        }
    	}
    	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	   
    	return 0;  
    } 
    //产生ACK应答
    void IIC_Ack(void)
    {
    	IIC_SCL=0;
    	SDA_OUT();
    	IIC_SDA=0;
    	delay_us(2);
    	IIC_SCL=1;
    	delay_us(2);
    	IIC_SCL=0;
    }
    //不产生ACK应答		    
    void IIC_NAck(void)
    {
    	IIC_SCL=0;
    	SDA_OUT();
    	IIC_SDA=1;
    	delay_us(2);
    	IIC_SCL=1;
    	delay_us(2);
    	IIC_SCL=0;
    }					 				     
    //IIC发送一个字节
    //返回从机有无应答
    //1，有应答
    //0，无应答			  
    void IIC_Send_Byte(u8 txd)
    {                        
        u8 t;   
    	SDA_OUT(); 	    
        IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
        for(t=0;t<8;t++)
        {              
            IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
            txd<<=1; 	  
    		delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
    		IIC_SCL=1;
    		delay_us(2); 
    		IIC_SCL=0;	
    		delay_us(2);
        }	 
    } 	    
    //读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
    u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
    {
    	unsigned char i,receive=0;
    	SDA_IN();//SDA设置为输入
        for(i=0;i<8;i++ )
    	{
            IIC_SCL=0; 
            delay_us(2);
    		IIC_SCL=1;
            receive<<=1;
            if(READ_SDA)receive++;   
    		delay_us(1); 
        }					 
        if (!ack)
            IIC_NAck();//发送nACK
        else
            IIC_Ack(); //发送ACK   
        return receive;
    }

2、直接利用STM32自带的硬件I2C

• 优点：传输时候为硬件传输，不占用CPU；传输稳定；速度快；支持DMA传输；
• 缺点：只能采用固定IO口；配置寄存器比较复杂；据说旧版标准库中I2C的调用存在bug，HAL库目前没有遇到问题；
• 实现方法：配置好I2C后直接调用HAL库函数即可

三、STM32F4探索者I2C实验

实验目的：利用硬件I2C实现对24c02存储芯片进行读写

1、配置相关设置

• 外部时钟开启——>时钟树配置
• LCD显示（FSMC，PB15）配置
• 按键控制配置
• 硬件I2C配置

（1）外部晶振打开，时钟树配置如下：

（2）LCD显示相关配置

详情见 STM32单片机HAL库学习MacOS（4）——LCD显示

（3）按键我们只需要用到key1与key0

（4）硬件I2C配置与硬件连接（connectivity -> I2C1）

如下图配置即可。注意：由于I2C硬件接口有多个，当我们打开I2C1接口时，默认的引脚可能不是我们所要用到的（第一次没注意还以为程序除了bug啥都没显示）根据开发版所给的资料显示，I2C接口处于PB8和PB9的IO口，因此我们需要在STM32cubeMX配置过程点击PB8和PB9手动调整。

配置好后生成代码～

2、24c02芯片连接以及读写

• 地址：24c02芯片为I2C接口，地址为7-bit格式，在开发板上A2-A0为0，最低位为读写控制。因此写的时候地址为0xA0，读地址为0xA1。

  

• 存储方式：查阅24c02的芯片手册可以知道24c02中数据由32页存储，每页存储8字节，寻址格式为8bit。同时24c02最多支持页写入，而读取是没有限制的。

  

• 读写：在芯片手册中有提到，写入最多一口气写8字节（页写入），且写入后需要等待10ms才会把数据存储好。

3、HAL库函数介绍

• HAL库中自带I2C调用函数，可以在“stm32f4xx_hal_i2c.c”中查看，在不用DMA和中断情况下，主要有以下函数：

  •   HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
      HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
      HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Slave_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
      HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Slave_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
      HAL_StatusTypeDef 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);
      HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
      HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_IsDeviceReady(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint32_t Trials, uint32_t Timeout);
      <!--code1-->
    
    

改写正点原子24c02的用处在于以后用到正点原子相关外设（例如触摸模块）涉及到24c02时不用额外编写新代码，可以直接兼容使用。

（2）HAL库实现

如果仔细发现上面改写的代码可能就会已经明白HAL库的直接写法，例子如下：

//读取全部存储空间
//读取没有限制，可一口气读取全部
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,0xA1,0,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,I2C_Buffer_Read,256,1000);
//写入全部存储空间
uint8_t I2C_Buffer_Write[256]={"STM32 EXPORER I2C TEST..."};
uint8_t I2C_Buffer_Read[256]={0};
uint16_t i;
for(i=0;i<256;i=i+8)//页写入，一次最多8字节
{
	if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0xA0,i,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8,1000)==HAL_OK)//若传输完成
	{
		HAL_Delay(10);//等待10ms
	}
  else{
    break;}//传输失败，结束写入
}

（3）加上按键控制和显示完善例程

最后加上按键的操作就可以实现key1写入，key0读出，最后再用LCD显示。以下是完整代码。

Here~ 点击下载

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END