IIC通信實(shí)驗(yàn)

IIC簡(jiǎn)介

I2C（Inter-Integrated Circuit）字面上的意思是集成電路之間，它其實(shí)是I2C Bus簡(jiǎn)稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊設(shè)備而發(fā)展。I2C的正確讀法為“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）則是另一種錯(cuò)誤但被廣泛使用的讀法。自2006年11月1日起，使用I2C協(xié)議已經(jīng)不需要支付專利費(fèi)，但制造商仍然需要付費(fèi)以獲取I2C從屬設(shè)備地址。

時(shí)序圖

為使用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）、擁有7bit尋址空間的總線。總線上有兩種類型角色的節(jié)點(diǎn)：

主節(jié)點(diǎn) - 產(chǎn)生時(shí)鐘并發(fā)起與從節(jié)點(diǎn)的通信
從節(jié)點(diǎn) - 接收時(shí)鐘并響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)的尋址

該總線是一種多主控總線，即可以在總線上放置任意多主節(jié)點(diǎn)。此外，在停止位（STOP）發(fā)出后，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)也可以成為從節(jié)點(diǎn)，反之亦然。

總線上有四種不同的操作模式，雖然大部分設(shè)備只作為一種角色和使用其中兩種操作模式：

主節(jié)點(diǎn)發(fā)送 - 主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給從節(jié)點(diǎn)
主節(jié)點(diǎn)接收 - 主節(jié)點(diǎn)接收從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)
從節(jié)點(diǎn)發(fā)送 - 從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給主節(jié)點(diǎn)
從節(jié)點(diǎn)接收 - 從節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

一開始，主節(jié)點(diǎn)處于主節(jié)點(diǎn)發(fā)送模式，發(fā)送起始位（START），跟著發(fā)送希望與之通信的從節(jié)點(diǎn)的7bit位地址，最后再發(fā)送一個(gè)bit讀寫位，該數(shù)據(jù)位表示主節(jié)點(diǎn)想要與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀（1）還是寫（0）操作。

如果從節(jié)點(diǎn)在總線上，它將以ACK字符比特位應(yīng)答（低有效）該地址。主節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答后，根據(jù)它發(fā)送的讀寫位，處于發(fā)送模式或者接收模式，從節(jié)點(diǎn)則處于對(duì)應(yīng)的相反模式（接收或發(fā)送）。

地址和數(shù)據(jù)首先發(fā)送最高有效位。起始位在SCL位高時(shí)，由SDA上電平從高變低表示；停止位在SCL為高時(shí)，由SDA上電平從低變高表示。其他SDA上的電平變化在SCL為低時(shí)發(fā)生。

如果主節(jié)點(diǎn)想要向從節(jié)點(diǎn)寫數(shù)據(jù)，它將發(fā)送一個(gè)字節(jié)，然后從節(jié)點(diǎn)以ACK位應(yīng)答，如此重復(fù)。此時(shí)，主節(jié)點(diǎn)處于主節(jié)點(diǎn)發(fā)送模式，從節(jié)點(diǎn)處于從節(jié)點(diǎn)接收模式。

如果主節(jié)點(diǎn)想要讀取從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，它將不斷接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的一個(gè)個(gè)字節(jié)，在收到每個(gè)字節(jié)后發(fā)送ACK進(jìn)行應(yīng)答，除了接收到的最后一個(gè)字節(jié)。此時(shí)，主節(jié)點(diǎn)處于主節(jié)點(diǎn)接收模式，從節(jié)點(diǎn)處于從節(jié)點(diǎn)發(fā)送模式。

此后，主節(jié)點(diǎn)要么發(fā)送停止位終止傳輸，要么發(fā)送另一個(gè)START比特以發(fā)起另一次傳輸（即“組合消息”）。

拓展

原始的I2C系統(tǒng)是在1980年代所創(chuàng)建的一種簡(jiǎn)單的內(nèi)部總線系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)主要的用途在于控制由飛利浦所生產(chǎn)的芯片。

1992年完成了最初的標(biāo)準(zhǔn)版本發(fā)布，新增了傳輸速率為400 kbit/s的快速模式及長度為10比特的地址模式可容納最多1008個(gè)節(jié)點(diǎn)。
1998年發(fā)布了2.0版，新增了傳輸速率為3.4Mbit/s的高速模式并為了節(jié)省能源而減少了電壓及電流的需求。
2.1版則在2001年完成，這是一個(gè)對(duì)2.0版做一些小修正，
3.0版于2007年發(fā)布。
2012年2月13日發(fā)布Specification Rev. 新增 5-MHz的超快速模式（UFM）。
2012年，第4版增加5 MHz的超快速模式（UFM），使用推挽式邏輯沒有上拉電阻新的USDA和USCS線，并增加了制造商指定的ID表。
2012年，第5版修正錯(cuò)誤。
在2014年，第6版糾正了兩個(gè)圖。這是目前最新的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)

信號(hào)類型及實(shí)驗(yàn)

I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型的信號(hào)，他們分別是：

開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳輸數(shù)據(jù)。
結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)。
應(yīng)答信號(hào)：接受數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已經(jīng)接受到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

這些信號(hào)中，起始信號(hào)是必需的，結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，都可以不要。I2C總線時(shí)序如下圖：

總線時(shí)序

STM32F767上面板載的EEPROM(電子抹除式可復(fù)寫只讀存儲(chǔ)器)芯片型號(hào)為24C02。該芯片的總?cè)萘繛?56個(gè)字節(jié)，該芯片通過I2C總線與外部連接，我們本實(shí)驗(yàn)就通過I2C來實(shí)現(xiàn)24C02的讀寫。

目前大部分MCU都帶有I2C總線接口，STM32F767不例外。但是，我們這里不使用STM32F767的硬件I2C來讀寫24C02，而是通過軟件模擬。ST為了規(guī)避飛利浦I2C的專利問題，將STM32的硬件I2C設(shè)計(jì)的比較復(fù)雜，而且穩(wěn)定性極差，給開發(fā)帶來非常多的不便，所以這里我們并不推薦使用，有興趣的可以下來自己查資料，來研究下STM32F767的硬件I2C。

我們?cè)谶@里使用了軟件來模擬I2C協(xié)議，這樣做的好處是，同一個(gè)代碼兼容所有的MCU，任何一個(gè)單片機(jī)只要有IO口，就可以很快的移植過去，而且不需要特定的IO口，只需要簡(jiǎn)單的更改IO口的定義，就可以快速使用。而硬件I2C，則換一次MCU，基本上等于重新搞一次I2C驅(qū)動(dòng)，非常之麻煩。

I2C的實(shí)驗(yàn)功能簡(jiǎn)介：開機(jī)的時(shí)候先檢測(cè)24C02是否存在，然后在主循環(huán)里面檢測(cè)兩個(gè)按鍵，其中1個(gè)按鍵(KEY1)用來執(zhí)行寫入24C02操作，另外一個(gè)按鍵(KEY0)用來執(zhí)行讀出操作，在LCD模塊上顯示相關(guān)信息，同時(shí)DS0閃爍，提示程序運(yùn)行正常。

硬件部分

實(shí)驗(yàn)需要用到指示燈DS2，以及按鍵KEY0,1和LCD顯示屏，24C02。

前面的硬件咱們都已經(jīng)基本介紹過了，這里我們只簡(jiǎn)單介紹以下24C02與STM32F767的連接，24C02的SCL與SDA分別連接在STM32F767的PH4和PH5上的，連接關(guān)系如下圖：

連接圖

軟件部分

首先來看I2C的初始化，我們要使用軟件來模擬，就要讓硬件也做出I2C硬件協(xié)議相關(guān)的工作，所以我們來操作兩個(gè)IO口來模擬I2C的SCL和SDA就行了，具體方法如下：

I2C初始化

void I2C_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef I2C_Initure;
    
    __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();       //使能GPIOH時(shí)鐘

    //PH4,5初始化設(shè)置
    I2C_Initure.Pin  = GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5;
    I2C_Initure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     //推挽輸出
    I2C_Initure.Pull = GPIO_PULLUP;             //上拉
    I2C_Initure.Speed = GPIO_SPEED_FAST;        //快速
    
    HAL_GPIO_Init(GPIOH, &IC2_Initure);

    I2C_SDA(1);             //SDA線拉高
    I2C_SCL(1);             //SCL線拉高
}

我們?cè)诔跏蓟校瑢H4,5兩個(gè)IO口設(shè)置為推挽輸出，然后拉上，并設(shè)為快速，然后調(diào)用HAL_GOIO_Init初始化函數(shù)，并且將兩條IO先的輸出電平先拉高，符合I2C協(xié)議的靜默狀態(tài)。至于后兩行代碼 I2C_SDA(),I2C_SCL 我們?cè)趯?duì)應(yīng)的頭文件里面用宏函數(shù)來定于，具體如下：

#define I2C_SDA(n)  (n?HAL_GPIO_WritePin(GPIOH, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(GPIOH, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET))
#define I2C_SCL(n)  (n?HAL_GPIO_WritePin(GPIOH, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(GPIOH, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET))

那么這樣SDA,SCL線都已經(jīng)準(zhǔn)備好了，那么要開始發(fā)送信號(hào)吧，代碼如下：

產(chǎn)生I2C起始信號(hào)

軟件模擬起始信號(hào)的代碼如下：

void I2C_Strat(void)
{
    SDA_OUT();          //SDA線輸出
    I2C_SDA(1);
    I2C_SCL(1);
    delay_us(4);
    I2C_SDA(0);         //在SCL線為高電平時(shí)，SDA線拉低為起始信號(hào)
    delay_us(4);
    I2C_SCL(0);         //拉低SCL線，準(zhǔn)備開始發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)
}

其中函數(shù) SDA_OUT() 同樣是一個(gè)宏函數(shù)，定義在頭文件中，具體如下：

#define SDA_OUT()   {GPIOH->MODER &= ~(0x3 << (10));GPIOH->MODER |= 0x0 << 10;}

通過函數(shù) I2C_Start() 就可以發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)，來發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)了，本質(zhì)上來說，就是我們使用了IO操作來模擬了I2C的開始階段的電壓跳變，非常簡(jiǎn)單。

產(chǎn)生I2C停止信號(hào)

有起始后，需要來停止，代碼如下：

void I2C_Stop(void)
{
    SDA_OUT();
    I2C_SCL(0);
    I2C_SDA(0);
    delay_us(4);
    I2C_SCL(1);
    I2C_SDA(1);
}

依然遵從I2C的時(shí)序圖，在停止信號(hào)處，先讓SDA線輸出，然后將SCL和SDA線拉低，待一段時(shí)間后，再將SCL和SDA線全部拉高，回到靜默狀態(tài)。

等待應(yīng)答信號(hào)

在起始信號(hào)發(fā)送了后，需要等待應(yīng)答，代碼如下：

u8 I2C_Wait_Ack(void)
{
    u8 ucErrTime = 0;

    SDA_IN();           //SDA線切換為輸入模式
    I2C_SDA(1); delay_us(1);
    I2C_SCL(1); delay_us(1);
    while(READ_SDA) {
        ucErrTime++;
        if (ucErrTime > 250) {
            IC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    I2C_SLC(0);     //時(shí)鐘線拉低
    return 0;
}

這里用到了兩個(gè)宏函數(shù)，仍然定義在頭文件當(dāng)中，代碼如下：

#define SDA_IN()    {GPIOH->MODER &= ~(0x3 << 10); GPIOH->MODER |= 0x0 << 10}
#define READ_SDA    HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH, GPIO_PIN_5)     //輸入SDA信號(hào)

這個(gè)函數(shù)也很容易理解，參照I2C的時(shí)序圖，將SDA線設(shè)置為了輸入模式，并拉高SDA線和SCL線，使用輪詢讀取PH5的電平值，但SDA線出現(xiàn)低電平，表示應(yīng)答信號(hào)來到，拉低SCL線，return 0，表示接收應(yīng)答成功。

產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

在作為接收方時(shí)，需要產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，代碼如下：

void I2C_Ack(void)
{
    I2C_SCL(0);
    SDA_OUT();
    I2C_SDA(0);
    delay_us(2);
    I2C_SCL(1);
    delay_us(2);
    I2C_SCL(0);
}

這個(gè)函數(shù)根據(jù)I2C的時(shí)序圖，將應(yīng)答信號(hào)就可以發(fā)送出去了，代碼很好理解。

不產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

如果不產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，代碼如下：

void I2C_NAck(void)
{
    I2C_SCL(0);
    SDA_OUT();
    I2C_SDA(1);
    delay_us(2);
    I2C_SCL(1);
    delay_us(2);
    I2C_SCL(0);
}

和上邊的代碼反過來就行了，在SCL線拉低后，SDA繼續(xù)輸出高電平，那么就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)了。

I2C發(fā)送一個(gè)字節(jié)

void I2C_Send_Byte(u8 txd)
{
    u8 t;
    SDA_OUT();
    I2C_SCL(0);     //拉低時(shí)鐘開始數(shù)據(jù)發(fā)送
    for(t = 0; t < 8; t++) {
        I2C_SDA((txd & 0x80) >> 7);
        txd <<= 1;
        delay_us(2);
        I2C_SCL(1);
        delay_us(2);
        I2C_SCL(0);
        delay_us(2); 
    }
}

這個(gè)函數(shù)的設(shè)計(jì)也是相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單了，一個(gè)字節(jié)是8位，用for循環(huán)，每次發(fā)送他的第8位，然后整體向左移動(dòng)一位，每次發(fā)送一位后，通過調(diào)整SCL線電平來確定時(shí)序。

I2C讀取一個(gè)字節(jié)

有了發(fā)送，就相應(yīng)的來接收就行，代碼如下：
u8 I2C_Read_Byte(u8 ack)
{
u8 i,receive = 0;

    SDA_IN();           //SDA線切換為輸入，來接收數(shù)據(jù)
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        I2C_SCL(0);
        delay_us(2);
        I2C_SCL(1);
        receive <<= 1;
        if (READ_SDA) receive++;
        delay_us(1);
    }

    if (!ack) {
        I2C_NAck();     //不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)
    } else {
        I2C_Ack();      //發(fā)送ACK信號(hào)
    }
    return receive;
}

這個(gè)函數(shù)和發(fā)送字節(jié)其實(shí)沒有什么區(qū)別，就是反過來讀，然后return就行了，區(qū)別在于和用參數(shù)來確定要不要發(fā)送ack應(yīng)答信號(hào)。

I2C的處理函數(shù)，就介紹完了，代碼非常簡(jiǎn)單，就是通過IO操作來設(shè)置I2C_SDA及SCL。接下來來看下24C02的處理函數(shù)。

初始化I2C接口

void 24CXX_Init(void)
{
    I2C_Init();     //直接調(diào)用I2C初始化就行
}

在24CXX指定地址讀取一個(gè)數(shù)據(jù)

讀操作的時(shí)候，要先確定讀的地址，所以：
寫模式-->寫讀的地址-->讀模式-->讀數(shù)據(jù)

mark

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

u8 24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAdder)
{
    u8 temp = 0;

    I2C_Start();
    I2C_Send_Byte(0xa0 + ((ReadAdder / 256) << 1)); //發(fā)送器件地址0xa0，寫數(shù)據(jù)
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Send_Byte(ReadAdder % 256);     //發(fā)送低地址
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Start();
    I2C_Send_Byte(0xa1);                //進(jìn)入接收模式
    I2C_Wait_Ack();
    temp = I2C_Read_Byte(0);
    I2C_Stop();                         //產(chǎn)生停止信號(hào)
    return temp;
}

在開始的時(shí)候，首先發(fā)送起始信號(hào)，然后將要讀取數(shù)據(jù)的地址寫入，并發(fā)送到E2PROM，分兩次，首先發(fā)送高8位，然后發(fā)送低8位，然后等待ack后，恢復(fù)到起始狀態(tài)，進(jìn)入接收模式，再一個(gè)ack后，就可以讀取數(shù)據(jù)。

在24CXX指定地址寫一個(gè)數(shù)據(jù)

寫操作的時(shí)候，同樣先確定寫的地址，所以要寫模式-->寫地址-->寫數(shù)據(jù)

mark

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

void 24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{
    I2C_Start();
    I2C_Send_Byte(0xa0 + ((WriteAddr / 256) << 1));     //發(fā)送器件地址OXA0，寫數(shù)據(jù)
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Send_Byte(WriteAddr % 256);             //發(fā)送低地址
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Send_Byte(DataToWrite);
    I2C_Wait_Ack();
    I2C_Stop();             //產(chǎn)生停止信號(hào)
    delay_ms(10);
}

這樣單字節(jié)的寫或者讀非常繁瑣，那么再給他封裝一層，來個(gè)多字節(jié)讀寫，代碼如下：

void 24CXX_WriteLneByte(u16 WriteAddr, u32 DataToWrite, u8 Len)
{
    u8 t;
    for(t = 0; t < Len; t++) {
        24CXX_WriteOneByte(WriteAddr + t, (DataToWrite >> (8 * t)) & 0xff);
    }
}

u32 24CXX_ReadLenByte(u16 ReadAddr, u8 Len)
{
    u8 t;
    u32 temp = 0;
    for (t = 0; t < Len; t++) {
        temp <= 8;
        temp += 24CXX_ReadOneByte(ReadAddr + Len -t - 1);
    }
    return temp;
}

這2個(gè)函數(shù)非常好理解，就是用for循環(huán)來調(diào)用單字節(jié)讀寫函數(shù)即可。

這里最好還需要一個(gè)函數(shù)來檢測(cè)24C02的狀態(tài)，當(dāng)IC出錯(cuò)時(shí)能夠反饋錯(cuò)誤，代碼如下：

u8 24CXX_Check(void)
{
    u8 temp;
    temp = 24CXX_ReadOneByte(255);      //避免每次開機(jī)都寫24CXX
    if (temp == 0x55) return 0;
    else {                              //排除第一次初始化
        24CXX_WriteOneByte(255, 0x55);
        temp = 24CXX_ReadOneByte(255);
        if (temp == 0x55) return 0;
    }
    return 1;
}

這個(gè)函數(shù)就是使用24XX的最后一個(gè)地址(255)來存儲(chǔ)標(biāo)志字0x55，通過判斷0x55來看是不是24C02設(shè)備，如果這里使用的其他24C系列，需要更改這個(gè)地址。

再定義兩個(gè)在指定地址讀寫指定長度的數(shù)據(jù)的函數(shù)，代碼如下：

void 24CXX_Read(u16 ReadAddr, u8  *pBuffer, u16 NumToRead)
{
    while(NumToRead) {
        *pBuffer++ = 24Cxx_ReadOneByte(ReadAddr++);
        NumToRead--;
    }
}

void 24CXX_Write(u16 WriteAddr, u8 *pBuffer, u16 NumToWrite)
{
    while(NumToWrite--) {
        24CXX_WriteOneByte(WriteAddr, *pBuffer);
        WriteAddr++;
        pBuffer++;
    }
}

以上的代碼基本可以支持24C02了，我們的正點(diǎn)原子的開發(fā)板，把24C02地址引腳都設(shè)置為0。

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STM32F767 I2C通信實(shí)驗(yàn)

STM32F767 I2C通信實(shí)驗(yàn)

IIC通信實(shí)驗(yàn)

IIC簡(jiǎn)介

拓展

實(shí)驗(yàn)

信號(hào)類型及實(shí)驗(yàn)

硬件部分

軟件部分

I2C初始化

產(chǎn)生I2C起始信號(hào)

產(chǎn)生I2C停止信號(hào)

等待應(yīng)答信號(hào)

產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

不產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

I2C發(fā)送一個(gè)字節(jié)

I2C讀取一個(gè)字節(jié)

初始化I2C接口

在24CXX指定地址讀取一個(gè)數(shù)據(jù)

在24CXX指定地址寫一個(gè)數(shù)據(jù)

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實(shí)驗(yàn)

信號(hào)類型及實(shí)驗(yàn)

硬件部分

軟件部分

I2C初始化

產(chǎn)生I2C起始信號(hào)

產(chǎn)生I2C停止信號(hào)

等待應(yīng)答信號(hào)

產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

不產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)

I2C發(fā)送一個(gè)字節(jié)

I2C讀取一個(gè)字節(jié)

初始化I2C接口

在24CXX指定地址讀取一個(gè)數(shù)據(jù)

在24CXX指定地址寫一個(gè)數(shù)據(jù)

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