一、应用简介
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，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，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它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。
下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。
1.1 物理层
它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 。
1.2 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。
1.2.1 I2C基本读写过程
先看看 I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见下图。
S ： 传输开始信号
SLAVE_ADDRESS: 从机地址
R/W： 传输方向选择位，1 为读，0 为写
A/ A： 应答(ACK)或非应答(NACK)信号
P ： 停止传输信号
1.2.2 I2C页写
1.2.3 I2C随机读
1.2.4 I2C起始停止信号
前文中提到的起始(S)和停止§信号是两种特殊的状态，见上图。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。
1.2.5 I2C应答非应答信号
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。见上图。
2.2 配置代码
示例直接采用野火的软件I2C。这里串口打印我就不贴了，自己翻看以前的文章。
board_i2c.h
#ifndef _BOARD_I2C_H
#define _BOARD_I2C_H
#include <inttypes.h>
#define EEPROM_I2C_WR 0
#define EEPROM_I2C_RD 1
#define EEPROM_GPIO_PORT_I2C GPIOB
#define EEPROM_RCC_I2C_PORT RCC_APB2Periph_GPIOB
#define EEPROM_I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_6
#define EEPROM_I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_7
#if 0
#define EEPROM_I2C_SCL_1() GPIO_SetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SCL_PIN)
#define EEPROM_I2C_SCL_0() GPIO_ResetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SCL_PIN)
#define EEPROM_I2C_SDA_1() GPIO_SetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)
#define EEPROM_I2C_SDA_0() GPIO_ResetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)
#define EEPROM_I2C_SDA_READ() GPIO_ReadInputDataBit(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)
#else
#define EEPROM_I2C_SCL_1() EEPROM_GPIO_PORT_I2C->BSRR = EEPROM_I2C_SCL_PIN
#define EEPROM_I2C_SCL_0() EEPROM_GPIO_PORT_I2C->BRR = EEPROM_I2C_SCL_PIN
#define EEPROM_I2C_SDA_1() EEPROM_GPIO_PORT_I2C->BSRR = EEPROM_I2C_SDA_PIN
#define EEPROM_I2C_SDA_0() EEPROM_GPIO_PORT_I2C->BRR = EEPROM_I2C_SDA_PIN
#define EEPROM_I2C_SDA_READ() ((EEPROM_GPIO_PORT_I2C->IDR & EEPROM_I2C_SDA_PIN) != 0)
#endif
void i2c_Start(void);
void i2c_Stop(void);
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte);
uint8_t i2c_ReadByte(void);
uint8_t i2c_WaitAck(void);
void i2c_Ack(void);
void i2c_NAck(void);
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address);
#endif
board_i2c.c
#include "board_i2c.h"
#include "stm32f10x.h"
static void i2c_CfgGpio(void);
static void i2c_Delay(void);
void i2c_Start(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
void i2c_Stop(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (_ucByte & 0x80)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
else
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); // 释放总线
}
_ucByte <<= 1;
i2c_Delay();
}
}
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t value;
value = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
value <<= 1;
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
{
value++;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
return value;
}
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
uint8_t re;
EEPROM_I2C_SDA_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
{
re = 1;
}
else
{
re = 0;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
return re;
}
void i2c_Ack(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
void i2c_NAck(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address)
{
uint8_t ucAck;
i2c_CfgGpio();
i2c_Start();
i2c_SendByte(_Address | EEPROM_I2C_WR);
ucAck = i2c_WaitAck();
i2c_Stop();
return ucAck;
}
static void i2c_CfgGpio(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(EEPROM_RCC_I2C_PORT, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN | EEPROM_I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_Init(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, &GPIO_InitStructure);
i2c_Stop();
}
static void i2c_Delay(void)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 10; i++);
}
board_eeprom.h
#ifndef __I2C_EE_H
#define __I2C_EE_H
#include "stm32f10x.h"
#define EEPROM_DEV_ADDR 0xA0
#define EEPROM_PAGE_SIZE 8
#define EEPROM_SIZE 256
uint8_t ee_CheckOk(void);
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);
void ee_Erase(void);
uint8_t ee_Test(void);
#endif
board_eeprom.c
#include "main.h"
#include "board_eeprom.h"
#include "board_i2c.h"
uint8_t ee_CheckOk(void)
{
if (i2c_CheckDevice(EEPROM_DEV_ADDR) == 0)
{
return 1;
}
else
{
i2c_Stop();
return 0;
}
}
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i;
i2c_Start();
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail;
}
i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress);
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail;
}
i2c_Start();
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_RD);
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail;
}
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
_pReadBuf[i] = i2c_ReadByte();
if (i != _usSize - 1)
{
i2c_Ack();
}
else
{
i2c_NAck();
}
}
i2c_Stop();
return 1;
cmd_fail:
i2c_Stop();
return 0;
}
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i,m;
uint16_t usAddr;
usAddr = _usAddress;
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
if ((i == 0) || (usAddr & (EEPROM_PAGE_SIZE - 1)) == 0)
{
i2c_Stop();
for (m = 0; m < 1000; m++)
{
i2c_Start();
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);
if (i2c_WaitAck() == 0)
{
break;
}
}
if (m == 1000)
{
goto cmd_fail;
}
i2c_SendByte((uint8_t)usAddr);
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail;
}
}
i2c_SendByte(_pWriteBuf[i]);
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail;
}
usAddr++;
}
i2c_Stop();
return 1;
cmd_fail:
i2c_Stop();
return 0;
}
void ee_Erase(void)
{
uint16_t i;
uint8_t buf[EEPROM_SIZE];
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
buf[i] = 0x00;
}
if (ee_WriteBytes(buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("擦除eeprom出错！\r\n");
return;
}
else
{
printf("擦除eeprom成功！\r\n");
}
}
static void ee_Delay(__IO uint32_t nCount)
{
for(; nCount != 0; nCount--);
}
uint8_t ee_Test(void)
{
uint16_t i;
uint8_t write_buf[EEPROM_SIZE];
uint8_t read_buf[EEPROM_SIZE];
if (ee_CheckOk() == 0)
{
printf("没有检测到串行EEPROM!\r\n");
return 0;
}
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
write_buf[i] = i;
}
if (ee_WriteBytes(write_buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("写eeprom出错！\r\n");
return 0;
}
else
{
printf("写eeprom成功！\r\n");
}
ee_Delay(0x0FFFFF);
if (ee_ReadBytes(read_buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("读eeprom出错！\r\n");
return 0;
}
else
{
printf("读eeprom成功，数据如下：\r\n");
}
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
if(read_buf[i] != write_buf[i])
{
printf("0x%02X ", read_buf[i]);
printf("错误:EEPROM读出与写入的数据不一致");
return 0;
}
printf(" %02X", read_buf[i]);
if ((i & 15) == 15)
{
printf("\r\n");
}
}
printf("eeprom读写测试成功\r\n");
return 1;
}
main.c
int main(void)
{
ee_Test();
return 0;
}
• 由 青梅煮久 写于 2021 年 02 月 04 日
