STM32---I2C

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一.I2C协议1.什么是I2C协议？

各个IC之间需要进行数据交流，为了使它们互联互通，I2C出现了。I2C是通用的简单的双向两线制总线协议。在硬件方面，需要的管脚少，连接线和面积小。在软件开发时，可以使用同一个I2C驱动库来驱动不同的器件。

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2.物理层特性
SCL：串行时钟总线；时钟用于数据收发同步。

SDA：双向串行数据总线；

（1）主机和从机之间的通讯方式：每个连接到总线的设备都有一个地址，利用这个地址进行访问。（地址就是一个普通的数据）；多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

（2）传输模式：常用的快速模式为400Kbit/s

（3）连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制

I2C时，要SCL和SDA管脚配置成开漏输出；添加上拉电阻；在仲裁时利用了线与特性。此时线与逻辑实现不需要与门，在原本上拉电阻和开漏结构及总线基础上就可以实现。

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二.协议层
I2C的协议层包括通讯的起始位，停止位，数据有效性，响应，仲裁，时钟同步和地址广播等。

1.I2C读写过程
读过程：从机发送数据给主机

写过程：主机发送数据给从机。

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复合格式：有两个起始信号。先写，写入数据是从机地址；再读，读入从机内数据。整个过程需要一个地址来找数据，因此有复合格式。

S:表示开始传输信号。1位

SLAVE ADDRESS：通讯的从机地址。7位或10位

R/W-：选择读或写。1位。取1为读。

A:应答信号; A/A-:应答或非应答信号

P:停止信号

7（或10）位从机地址+1个读写位=8位的读/写地址

当SCL高电平时，SDA信号有效。SDA为高电平则传输数据1，低电平则传输数据0，由高转低则表示起始信号，由低转高表示停止信号。在SCL低电平时，SDA在此时一般进行电平切换，为下一次表示数据做准备。

响应：在SDA线上传输完8位读写地址之后，发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA。由上拉电阻上拉成高电平（高阻态状态），高电平表示未应答。当从机检测到是自己的地址时，将SDA的电平拉低为0，表示有设备响应。其他设备想在此时传输数据时，无法将SDA的电平拉高后拉低，无法传输数据。

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2.I2C外设
软件模拟协议：控制SDA和SCL的电平->使用CPU直接控制通讯引脚的电平

硬件实现协议：由STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它会自动根据协议要求产生信号，收发数据并缓存起来。CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种硬件外设处理I2C协议的方法使软件设计更加简单。

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1.通讯引脚             SDA,SCL,SMBA（不常用），查表看对应的引脚，I2C有两套通讯线路。
2.时钟控制逻辑    CCR控制I2C时钟频率。具体过程查看CCR寄存器。主模式选项，占空比（低电平时间/高电平时间），CCR写入值的计算。可以使用库函数来便捷计算。
3.数据控制逻辑    数据寄存器（8位有效）
4.整体控制逻辑    控制寄存器start,stop；状态寄存器TxE,RxNE,AF,ADDR,BUSY

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3.I2C外设通讯过程
STM32作为主发送器：

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I2C通讯时，在通讯的不同阶段，它会对状态寄存器写入不同的数据，通过读取寄存器标志来判断寄存器状态。在发送结束信号之前，需要检测BTF（字节发送结束，表示所有数据都发送出去了）。可使用STM32标准库函数来直接检测这些事件的复合标志。每次读取标志位之后，都要清除。

上一行是I2C的传输数据，下一行是状态寄存器在不同阶段的动作。

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STM32作为主接收器：

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三.I2C库函数
I2C初始化结构体：ClockSpeed,Mode,DutyCycle（占空比）, ownAddress(I2C设备地址), Ack（使能,允许应答）, AcknowledgeAddress（指定地址长度）

ClockSpeed：支持标准模式100khz,快速模式400khz.
Mode:I2C模式，SMB主模式，SMB从模式
DutyCycle：有2：1和16：9两种。占空比是指低电平和高电平时间的比例。2：1和16：9相差不大，可以随便选用。如果高电平的时间过短，则从SDA线上读取数据的时间短，信息传输不完整。
ownAddress:STM32 I2C自身设备地址，只要在总线上是唯一即可。
AcknowledgeAddress：选择寻址模式是7位还是10位要根据实际连接到I2C总线上的设备的地址进行选择。
GeneratesSRART()产生起始信号

GeneratesSTOP()产生停止信号

FlagStatus I2C_GetFlagStatus()读寄存器位

I2CSend7bitAddress()

I2CSendData()

I2CAcknowledgeConfig()

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四.EEPROM

EEPROM是可重复擦除的存储器，掉电可保存。

型号：AT24C02

STM32与EEPROM（AT24C02）通讯时，使用I2C协议。WP写保护，接地不保护。在主机发送开始信号之后，会发送需要通讯的器件地址（EEPROM都要求有8位，包括读写位）。8位器件地址的前四位对于所有串行EEPROM都是一样的1010.接下来的三位是A0,A1,A2为器件地址位，必须与硬件输入引脚保持一致。根据图，此EEPROM的地址为1010，000。

只看该作者 · 2023-7-31 15:14

写操作：
1.字节写：在接受器件地址和ACK应答之后，接收8位的字地址，接到这个地址之后EEPROM应答0，然会主机发送8位数据，EEPROM应答0，主机发送停止信号。此时，EEPROM进入内部写周期TWR，将数据写入非易失性存储器中，在此期间的输入都无效，直到写周期完成。

2.页写：和字节写类似。不同在于，在主机把第一批数据发送出去，EEPROM应答之后，主机不会发送停止信号，而是接着发送7个（AT24C02）数据。EEPROM收到数据之后都会应答0，最后一个数据发送出去且EEPROM应答之后，主机会发送停止信号。接收到每个数据之后，字地址第三位（AT24C02）自动加1，高位不变，维持在当前页。当字地址达到该页边界地址时，随后的数据会写入该页的页首。如果超过8（AT24C02）个，字地址会回转到该页的首字节，将先前的字节覆盖。

3.应答查询：EEPROM进入内部写周期，输入都无效，此时要应答查询，保证输入的数据是有效的。查询ACK状态。

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读操作：
读操作和写操作初始化相同，只有读写位不同。

1.当前地址读：

内部地址计数器保存上次访问的最后一个地址+1的值。只要芯片有电，该地址就一直保存。当读到最后一页的最后字节，地址会转到0，当写到页尾的最后一个字节，地址会转到该页的首字节。

主机发送开始信号，发送器件地址，EEPROM应答ACK后，当前地址的数据就随时钟发送出去。主机不用应答，只需要发送停止信号。

2.随机读：主机发送开始信号，先写一个目标字地址，EEPROM接收器件地址并应答。主机发送第二个开始信号，主机再一次发送器件地址，EEPROM应答，并随时钟送出数据。主机不用应答，只需要发送停止信号。

3.顺序读：可以通过当前地址读或者随机读启动。主机接收到一个数据之后，应答ACK。只要EEPROM接收到ACK，将自动增加字地址，随时钟发送后面的数据。主机不需应答，只需发送停止信号。

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五.编程
EEPROM和STM32之间使用I2C通讯。使用硬件实现协议。

I2C和USART的程序相似，可类比学习。

1.初始化I2C相关的GPIO

2.配置I2C外设的工作模式

3.编写I2C写入EEPROM的byte write函数，编写读取的random read函数（简单但效率低）；编写page write和seq read函数并校验（提高工作效率）

4.使用两个读写函数进行读写校验，需要写EEPROM内部时序完成的等待函数。

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六.遇到了哪些问题
1.EV5事件while循环卡死：从原理上讲，STM32发送开始信号给EEPROM，检测SR1的SB是否为1来判断信号是否发出。软件读取SR1寄存器后，写数据寄存器的操作将清除该位。GetFlag库函数中，SB宏定义为0x10000001，右移28位得到0x1!=0，则I2C首地址+0x14,找到SR1。SB与上0x00ffffff，表示取低24位，即00000001，与上SR1，表示取SR1的最低位。若结果不为0，return SET。

解决办法：当GPIO管脚设置为10KHZ，且在各个EVn事件中全都使用I2C_CheckEvent库函数来检测，程序执行正常。

为什么使用GetFlag库函数来检测各个EVn事件会卡死在while循环里？GetFlag库函数和I2C_CheckEvent库函数有什么区别？

EV5检测位宏定义为0x00030001，I2C的SR2寄存器数据左移16位或上SR1数据后与上0x00ffffff,表示取SR2低8位和SR1全16位。得到的数据如果和EV5宏定义相同即成功。只要SR2低两位（BUSY总线忙，MSL处于主模式）和SR1低1位（SB发送起始信号完成）是1，则成功。 GetFlag库函数只检测SR1->SB位是否置一，不关心其他位。在检测SB位的效果上，I2C_CheckEvent库函数和GetFlag库函数是一样的。在检测EV6时，I2C_CheckEvent库函数检测SR1低三位，SR2的1和7位，GetFlag库函数检测SR2的1位。理论上说，在检测EV6时，I2C_CheckEvent库函数和GetFlag库函数效果是一样的。但是程序下载进去后，无法实现。

接下来的EVn事件，同样地，也是使用I2C_CheckEvent库函数才能正确执行。

2.在EEPROM的等待内部时序结束的函数中，使用GetFlag库函数检测，否则卡死。

3.EEPROM写入和读出函数：PageWrite(uint8_t BYTE_WRITE_ADDR, uint8_t* Data, uint8_t numtowrite )

RandomRead( uint8_t BYTE_READ_ADDR,uint8_t *data,uint8_t numByteToRead )

表示data是uint_8t*类型的指针，指向data的首地址，在数据读写时，指针移动一次，跳过uint_8的内存大小，将data的内容逐一读写。

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七.软件模拟I2C
软件模拟I2C是使用板上任意两个引脚作为I2C接口SDA，SCL。将这两个引脚拉低拉高来模拟实现SDA，SCL的高低变化，从而达到模拟I2C通讯的效果。

软件模拟I2C时，两个引脚一样地配置为开漏输出。使用开漏输出的原因同样是要实现线与。当一个设备把总线拉低时，如果有其它设备读取，则不会损坏电路。开漏输出需要在外部连接上拉电阻。如果在此处中采用推挽输出，那么，可想而知，在有多个设备的时候，无法线与，会出现电流倒灌，电路短路的问题。但是，当只有一个从设备的时候，我们不需要担心是否有线与的功能，所以，在这个时候，按理来说，是可以使用推挽输出的。但是，要特别注意的是，使用推挽输出的时候，我们需要配置输入和输出模式。这是为什么呢？因为配置为推挽输出，这个引脚只能作为输出，无法读取电平。所以，在接收数据的时候，我们需要把模式改为上拉输入模式。那为什么开漏输出不需要改变输入输出模式呢？因为开漏输出的内部电路结构：引脚处电平完全由外部电平决定。而推挽输出的内部电路的特点是强上拉，强下拉，完全由内部电平决定，无论外部电平是什么。

只看该作者 · 2023-7-31 15:15

因此，只需要配置好GPIO，编写两个引脚高低电平变化的I2C开始函数，应答和非应答函数，停止函数，发送和接收函数就可以实现I2C读写操作。那么，在这个过程中，按照SDA和SCL的电平变化来编写函数是至关重要的。首先，要熟悉SDA和SCL配合工作的过程。(不再需要打开IIC的时钟，不用再配置IIC的结构体)

数据的有效性：SDA的数据必须在SCL的高电平周期保持稳定。数据线的高低变化只有在SCL是低电平时才能进行。

起始：SCL为高时，SDA由高变低。

停止：SCL为高时，SDA由低变高。

传输数据的字节格式：发送到SDA线上的字节必须是8位，字节数不受限制。每个字节后要有一个响应位。首先传输数据的最高位。

响应：数据传输必须带响应。响应期间，发送器释放SDA（高），接收器将SDA拉低

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