IIC通信實驗
IIC簡介
I2C（Inter-Integrated Circuit）字面上的意思是集成電路之間，它其實是I2C Bus簡稱，所以中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備而發展。I2C的正確讀法為“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）則是另一種錯誤但被廣泛使用的讀法。自2006年11月1日起，使用I2C協議已經不需要支付專利費，但制造商仍然需要付費以獲取I2C從屬設備地址。
為使用串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）、擁有7bit尋址空間的總線。 總線上有兩種類型角色的節點：
- 主節點 - 產生時鐘并發起與從節點的通信
- 從節點 - 接收時鐘并響應主節點的尋址
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點。此外，在停止位（STOP）發出后，一個主節點也可以成為從節點，反之亦然。
總線上有四種不同的操作模式，雖然大部分設備只作為一種角色和使用其中兩種操作模式：
- 主節點發送 - 主節點發送數據給從節點
- 主節點接收 - 主節點接收從節點數據
- 從節點發送 - 從節點發送數據給主節點
- 從節點接收 - 從節點接收主節點數據
一開始，主節點處于主節點發送模式，發送起始位（START），跟著發送希望與之通信的從節點的7bit位地址，最后再發送一個bit讀寫位，該數據位表示主節點想要與從節點進行讀（1）還是寫（0）操作。
如果從節點在總線上，它將以ACK字符比特位應答（低有效）該地址。主節點收到應答后，根據它發送的讀寫位，處于發送模式或者接收模式，從節點則處于對應的相反模式（接收或發送）。
地址和數據首先發送最高有效位。 起始位在SCL位高時，由SDA上電平從高變低表示；停止位在SCL為高時，由SDA上電平從低變高表示。其他SDA上的電平變化在SCL為低時發生。
如果主節點想要向從節點寫數據，它將發送一個字節，然后從節點以ACK位應答，如此重復。此時，主節點處于主節點發送模式，從節點處于從節點接收模式。
如果主節點想要讀取從節點數據，它將不斷接收從節點發送的一個個字節，在收到每個字節后發送ACK進行應答，除了接收到的最后一個字節。此時，主節點處于主節點接收模式，從節點處于從節點發送模式。
此后，主節點要么發送停止位終止傳輸，要么發送另一個START比特以發起另一次傳輸（即“組合消息”）。
拓展
原始的I2C系統是在1980年代所創建的一種簡單的內部總線系統，當時主要的用途在于控制由飛利浦所生產的芯片。
- 1992年完成了最初的標準版本發布，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個節點。
- 1998年發布了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，這是一個對2.0版做一些小修正，
- 3.0版于2007年發布。
- 2012年2月13日發布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版修正錯誤。
- 在2014年，第6版糾正了兩個圖。這是目前最新的標準。
實驗
信號類型及實驗
I2C總線在傳送數據過程中共有三種類型的信號，他們分別是：
開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳輸數據。
結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳輸數據。
應答信號：接受數據的IC在接收到8bit數據后，向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖，表示已經接受到數據。CPU向受控單元發出一個信號后，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。
這些信號中，起始信號是必需的，結束信號和應答信號，都可以不要。I2C總線時序如下圖：
STM32F767上面板載的EEPROM(電子抹除式可復寫只讀存儲器)芯片型號為24C02。該芯片的總容量為256個字節，該芯片通過I2C總線與外部連接，我們本實驗就通過I2C來實現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為了規避飛利浦I2C的專利問題，將STM32的硬件I2C設計的比較復雜，而且穩定性極差，給開發帶來非常多的不便，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。
我們在這里使用了軟件來模擬I2C協議，這樣做的好處是，同一個代碼兼容所有的MCU，任何一個單片機只要有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驅動，非常之麻煩。
I2C的實驗功能簡介：開機的時候先檢測24C02是否存在，然后在主循環里面檢測兩個按鍵，其中1個按鍵(KEY1)用來執行寫入24C02操作，另外一個按鍵(KEY0)用來執行讀出操作，在LCD模塊上顯示相關信息，同時DS0閃爍，提示程序運行正常。
硬件部分
實驗需要用到指示燈DS2，以及按鍵KEY0,1和LCD顯示屏，24C02。
前面的硬件咱們都已經基本介紹過了，這里我們只簡單介紹以下24C02與STM32F767的連接，24C02的SCL與SDA分別連接在STM32F767的PH4和PH5上的，連接關系如下圖：
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硬件協議相關的工作，所以我們來操作兩個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時鐘
//PH4,5初始化設置
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
}
我們在初始化中，將PH4,5兩個IO口設置為推挽輸出，然后拉上，并設為快速，然后調用HAL_GOIO_Init初始化函數，并且將兩條IO先的輸出電平先拉高，符合I2C協議的靜默狀態。至于后兩行代碼 I2C_SDA(),I2C_SCL 我們在對應的頭文件里面用宏函數來定于，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線都已經準備好了，那么要開始發送信號吧，代碼如下：
產生I2C起始信號
軟件模擬起始信號的代碼如下：
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，SDA線拉低為起始信號
delay_us(4);
I2C_SCL(0); //拉低SCL線，準備開始發送或者接收數據
}
其中函數 SDA_OUT() 同樣是一個宏函數，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 I2C_Start() 就可以發送一個開始信號，來發送或者接受數據了，本質上來說，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，非常簡單。
產生I2C停止信號
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的時序圖，在停止信號處，先讓SDA線輸出，然后將SCL和SDA線拉低，待一段時間后，再將SCL和SDA線全部拉高，回到靜默狀態。
等待應答信號
在起始信號發送了后，需要等待應答，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); //時鐘線拉低
return 0;
}
這里用到了兩個宏函數，仍然定義在頭文件當中，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
這個函數也很容易理解，參照I2C的時序圖，將SDA線設置為了輸入模式，并拉高SDA線和SCL線，使用輪詢讀取PH5的電平值，但SDA線出現低電平，表示應答信號來到，拉低SCL線，return 0，表示接收應答成功。
產生應答信號
在作為接收方時，需要產生應答信號，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);
}
這個函數根據I2C的時序圖，將應答信號就可以發送出去了，代碼很好理解。
不產生應答信號
如果不產生應答信號，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繼續輸出高電平，那么就不會產生應答信號了。
I2C發送一個字節
void I2C_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
I2C_SCL(0); //拉低時鐘開始數據發送
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);
}
}
這個函數的設計也是相當的簡單了，一個字節是8位，用for循環，每次發送他的第8位，然后整體向左移動一位，每次發送一位后，通過調整SCL線電平來確定時序。
I2C讀取一個字節
有了發送，就相應的來接收就行，代碼如下：
u8 I2C_Read_Byte(u8 ack)
{
u8 i,receive = 0;
SDA_IN(); //SDA線切換為輸入，來接收數據
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(); //不發送應答信號
} else {
I2C_Ack(); //發送ACK信號
}
return receive;
}
這個函數和發送字節其實沒有什么區別，就是反過來讀，然后return就行了，區別在于和用參數來確定要不要發送ack應答信號。
I2C的處理函數，就介紹完了，代碼非常簡單，就是通過IO操作來設置I2C_SDA及SCL。接下來來看下24C02的處理函數。
初始化I2C接口
void 24CXX_Init(void)
{
I2C_Init(); //直接調用I2C初始化就行
}
在24CXX指定地址讀取一個數據
讀操作的時候，要先確定讀的地址，所以：
寫模式-->寫讀的地址-->讀模式-->讀數據
代碼實現如下：
u8 24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAdder)
{
u8 temp = 0;
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(0xa0 + ((ReadAdder / 256) << 1)); //發送器件地址0xa0，寫數據
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(ReadAdder % 256); //發送低地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(0xa1); //進入接收模式
I2C_Wait_Ack();
temp = I2C_Read_Byte(0);
I2C_Stop(); //產生停止信號
return temp;
}
在開始的時候，首先發送起始信號，然后將要讀取數據的地址寫入，并發送到E2PROM，分兩次，首先發送高8位，然后發送低8位，然后等待ack后，恢復到起始狀態，進入接收模式，再一個ack后，就可以讀取數據。
在24CXX指定地址寫一個數據
寫操作的時候，同樣先確定寫的地址，所以要寫模式-->寫地址-->寫數據
代碼實現如下：
void 24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(0xa0 + ((WriteAddr / 256) << 1)); //發送器件地址OXA0，寫數據
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(WriteAddr % 256); //發送低地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(DataToWrite);
I2C_Wait_Ack();
I2C_Stop(); //產生停止信號
delay_ms(10);
}
這樣單字節的寫或者讀非常繁瑣，那么再給他封裝一層，來個多字節讀寫，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個函數非常好理解，就是用for循環來調用單字節讀寫函數即可。
這里最好還需要一個函數來檢測24C02的狀態，當IC出錯時能夠反饋錯誤，代碼如下：
u8 24CXX_Check(void)
{
u8 temp;
temp = 24CXX_ReadOneByte(255); //避免每次開機都寫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;
}
這個函數就是使用24XX的最后一個地址(255)來存儲標志字0x55，通過判斷0x55來看是不是24C02設備，如果這里使用的其他24C系列，需要更改這個地址。
再定義兩個在指定地址讀寫指定長度的數據的函數，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，我們的正點原子的開發板，把24C02地址引腳都設置為0。
