STM32F407 —— 硬件 I2C 驱动的步骤与应用

只看该作者 · 2023-7-31 15:17

此篇文章将从理论到实践，对 I2C 通信方式进行理论介绍与实际应用。理论部分主要讲述 I2C 总线的物理结构与其协议中的相关规定及几种不同的通信过程。实践部分将以我们各种开发场合常用到的一个显示模块——4线 0.96寸 OLED 显示屏和本人正在进行的大创项目中用到的 MS5837 压力传感器为例，对在 STM32F407 上如何用 I2C 协议驱动模块进行介绍。这是本人（仅仅是一位刚入门嵌入式的平平无奇的大学生）在 CSDN 的第一篇博文，旨在自己总结相关知识，如有错误，欢迎各位技术大牛批评指正！本人VX：Cyy15880234628。如果能帮到他人，那再好不过啦！
一、I2C相关知识
1、物理层
(1) 定义
IIC 是 Inter-Integrated Circuit 的缩写，即两线式串行总线，有数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的串行总线，可进行数据的收发。总线结构如图所示：

只看该作者 · 2023-7-31 15:17

(2) 通信方式
由定义可知，其数据线只有一条，所以 I2C 通信采用的是半双工通信，即数据在数据线上可以进行双向传输，但是不能同时收发。（可以想象成一根水管，水可以从左端流向右端，也可以从右端流向左端，但不能同时即从左流向右，又从右流向左，不可兼得哦！）

只看该作者 · 2023-7-31 15:17

2、协议层
在协议层中，我们先对通信过程中所用到的几个名词所对应的相关规定做个了解。
（我也只懂这么多，哈哈哈哈，毕竟 I2C 协议不是一天两天读得完的。）

(1) 空闲状态
SDA 与 SCL 两条信号线同时处于高电平，这时规定总线处于空闲状态。

只看该作者 · 2023-7-31 15:18

(2) 起始信号与停止信号的定义
起始信号： SCL 为高电平时，SDA 由高电平跳变为低电平；
停止信号： SCL 为高电平时，SDA 由低电平跳变为高电平。
光看文字解释似乎很抽象，来，咱们直接上图（本人自己画的丑图）！

只看该作者 · 2023-7-31 15:18

start 表示起始信号，stop 表示停止信号，其实起始信号与停止信号的定义就是用 SDA 与 SCL 的不同组成来表示罢了。（当然，我对这俩规定的理解是，可以把SDA 想象成一个开关的刀，下，即合上，开始传输；上，即断开，停止传输。）

只看该作者 · 2023-7-31 15:18

(3) 应答信号
发送器发生一个字节，在第九个时钟脉冲期间释放总线，接收器反馈一个应答信号。而应答信号又可分为两种，①有效应答（ACK）：应答信号为低电平；②无效应答（NACK）：应答信号为高电平。

只看该作者 · 2023-7-31 15:19

(4) 数据传输
每位数据都有一个时钟脉冲来同步控制，即在 SCL 串行时钟配合下，SDA 逐位地串行传送每一位数据，传输是边沿出发的。

只看该作者 · 2023-7-31 15:19

(5) 数据有效性
怎样的数据在传输过程中才算有效呢？在时钟信号高电平期间，数据线上的数据保持稳定。（或许又不好理解，那再上图！）

只看该作者 · 2023-7-31 15:19

只看该作者 · 2023-7-31 15:19

3、I2C 基本读写过程
主要包括三种通信过程：主机写数据到从机、主机读取从机数据、复合通信（既读又写）。在应用中，主要是前两种通信过程，复合通信很少见，这里我也只介绍前两种，后面驱动实战部分也是对这两种分别举例展示。

只看该作者 · 2023-7-31 15:20

(1) 主机写数据到从机
通信过程如下图所示：

（有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S 表示起始信号，P 表示终止信号。）
首先，主机产生一个起始信号，开始传输数据。接着，主机向从机发送地址位和读写位（0），确定是哪个从机要接收主机发送的数据。之后就开始从主机向从机发送有效数据，从机根据接收到的数据返回有效应答或无效应答。最后主机产生一个停止信号，表示此次传输结束。
整个过程就是这样的，我不知道自己是否表述清楚，其实大家也可以类比送快递的一个过程，要知道送去谁家，送什么东西，签收时给一个反馈，在淘宝确认收货表示派送成功，过程终止。这样可能形象一点。

只看该作者 · 2023-7-31 15:22

(2) 主机读从机数据
通信过程如下图所示：

（有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S 表示起始信号，P 表示终止信号。）
大体过程与主机写数据到从机上差不多，大家自行类比理解哈，要注意的点就是数据和应答信号是谁发给谁。

只看该作者 · 2023-7-31 15:26

二、实战应用
1、I2C 驱动 4线 0.96寸 OLED 显示屏
这个模块相信大家并不陌生，小型而又低功耗，运用范围十分广泛。现在关于这个模块在STM32F1系列上的实现源码很多，但在STM32F4系列上的实现源码很少，还是有很多人不懂得移植或者移植不成功，也当作是一个半开源了吧。
话不多说，开始讲思路！

只看该作者 · 2023-7-31 15:26

其实就是按照前面所讲的对应的通信过程和相关协议规定来配置，再配合OLED的数据手册，编写移植显示的函数即可。
驱动该模块的流程图就是主机写数据到从机的通信过程，再放一遍图吧（把良心打在公屏上）

只看该作者 · 2023-7-31 15:26

通信过程的配置就按照下面这部分代码配置即可，注释个人觉得挺清楚的了。

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/*********************OLED写数据************************************/ 

void OLED_WrDat(unsigned char IIC_Data)

{

        IIC_Start();   //起始信号

  IIC_Send_Byte(0x78);                        //确定从机地址

        IIC_Wait_Ack();        

  IIC_Send_Byte(0x40);                        //确定读写位，写为0

        IIC_Wait_Ack();                  //从机应答

  IIC_Send_Byte(IIC_Data);  //开始写数据到从机上

        IIC_Wait_Ack();           //从机应答

        IIC_Stop();               //停止信号

}

只看该作者 · 2023-7-31 15:26

起始信号的定义：

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void IIC_Start(void)

{

        SDA_OUT();     //sda线输出

        IIC_SDA=1;                    

        IIC_SCL=1;  

        delay_us(2);

         IIC_SDA=0;     //START:when CLK is high,DATA change form high to low 

        delay_us(2);

        IIC_SCL=0;     //钳住I2C总线，准备发送或接收数据 

}

只看该作者 · 2023-7-31 15:27

停止信号的定义：

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void IIC_Stop(void)

{

        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(2);

        IIC_SCL=1; 

        IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号

        delay_us(2);                                                                                                              

}

只看该作者 · 2023-7-31 15:27

等待应答信号：

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//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;  

}

只看该作者 · 2023-7-31 15:27

有效应答与无效应答的定义：

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//产生ACK应答

void IIC_Ack(void)

{

        IIC_SCL=0;

        SDA_OUT();

        IIC_SDA=0;

        delay_us(4);

        IIC_SCL=1;

        delay_us(4);

        IIC_SCL=0;

}



//不产生ACK应答                    

void IIC_NAck(void)

{

        IIC_SCL=0;

        SDA_OUT();

        IIC_SDA=1;

        delay_us(4);

        IIC_SCL=1;

        delay_us(4);

        IIC_SCL=0;

}

只看该作者 · 2023-7-31 15:28

根据数据手册又可编写一些显示函数，如下：

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void OLED_ShowChar(u8 x,u8 y,u8 chr,u8 Char_Size)

{              

        unsigned char c=0,i=0;        

                c=chr-' ';//得到偏移后的值                        

                if(x>128-1){x=0;y=y+2;}

                if(Char_Size ==16)

                        {

                        OLED_Set_Pos(x,y);        

                        for(i=0;i<8;i++)

                        OLED_WrDat(F8X16[c*16+i]);

                        OLED_Set_Pos(x,y+1);

                        for(i=0;i<8;i++)

                        OLED_WrDat(F8X16[c*16+i+8]);

                        }

                        else {        

                                OLED_Set_Pos(x,y);

                                for(i=0;i<6;i++)

                                OLED_WrDat(F6x8[c][i]);

                                

                        }

}

//m^n函数

u32 oled_pow(u8 m,u8 n)

{

        u32 result=1;         

        while(n--)result*=m;    

        return result;

}                                  

//显示2个数字

//x,y :起点坐标         

//len :数字的位数

//size:字体大小

//mode:模式        0,填充模式;1,叠加模式

//num:数值(0~4294967295);                           

void OLED_ShowNum(u8 x,u8 y,u32 num,u8 len,u8 size2)

{                 

        u8 t,temp;

        u8 enshow=0;                                                   

        for(t=0;t<len;t++)

        {

                temp=(num/oled_pow(10,len-t-1))%10;

                if(enshow==0&&t<(len-1))

                {

                        if(temp==0)

                        {

                                OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,' ',size2);

                                continue;

                        }else enshow=1; 

                          

                }

                 OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,temp+'0',size2); 

        }

} 

//显示一个字符号串

void OLED_ShowString(u8 x,u8 y,u8 *chr,u8 Char_Size)

{

        unsigned char j=0;

        while (chr[j]!='\0')

        {                OLED_ShowChar(x,y,chr[j],Char_Size);

                        x+=8;

                if(x>120){x=0;y+=2;}

                        j++;

        }

}



//------------显示中文------------------

void OLED_ShowCHinese(u8 x,u8 y,u8 no)

{                                  

        u8 t,adder=0;

        OLED_Set_Pos(x,y);        

    for(t=0;t<16;t++)

                {

                                OLED_WrDat(Hzk[2*no][t]);

                                adder+=1;

     }        

                OLED_Set_Pos(x,y+1);        

    for(t=0;t<16;t++)

                        {        

                                OLED_WrDat(Hzk[2*no+1][t]);

                                adder+=1;

      }                                        

}