【正点原子STM32连载】第三十五章 IIC实验 摘自【正点原子】MiniPro STM32H750 开发指南_V1.1

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第三十五章 IIC实验

本章，我们将介绍如何使用STM32H750的普通IO口模拟IIC时序，并实现和24C02之间的双向通信，并把结果显示在TFTLCD模块上 本章分为如下几个小节： 35.1 IIC及24C02简介 35.2 硬件设计 35.3 程序设计 35.4 下载验证

35.1 IIC及24C02简介 35.1.1 IIC简介 IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送。 IIC总线有如下特点： ①总线由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，数据线用来传输数据，时钟线用来同步数据收发。 ②总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，所以我们只需要知道器件的地址，根据时序就可以实现微控制器与器件之间的通信。 ③数据线SDA和时钟线SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。 ④总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s 在快速模式下可达400kbit/s在高速模式下可达3.4Mbit/s。 ⑤总线支持设备连接。在使用IIC通信总线时，可以有多个具备IIC通信能力的设备挂载在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容400pF的限制决定。IIC总线挂载多个器件的示意图，如下图所示：

图35.1.1.1 IIC总线挂载多个器件 下面来学习IIC总线协议，IIC总线时序图如下所示：

图35.1.1.2 IIC总线时序图 为了便于大家更好的了解IIC协议，我们从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、数据传输以及空闲状态等6个方面讲解，大家需要对应图35.1.1.2的标号来理解。 ① 起始信号 当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就会处于被占用状态，准备数据传输。 ② 停止信号 当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就会处于空闲状态。 ③ 应答信号 发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节。应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。 观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。 ④ 数据有效性 IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。 ⑤ 数据传输 在IIC总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。 ⑥ 空闲状态 IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。 了解这些知识后，下面介绍一下IIC的基本的读写通讯过程，包括主机写数据到从机即写操作，主机到从机读取数据即读操作。下面先看一下写操作通讯过程图，见图35.1.1.3所示：

图35.1.1.3 写操作通讯过程图 主机首先在IIC总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0(写操作)组成的8bit数据，所有从机接收到该8bit数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。注意：IIC总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。 接着讲解一下IIC总线的读操作过程，先看一下读操作通讯过程图，见图35.1.1.4所示。

图35.1.1.4 读操作通讯过程图 主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1(读操作)组成的8bit数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址。 那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回8bit数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。 24C02的数据传输时序是基于IIC总线传输时序，下面讲解一下24C02的数据传输时序。 35.1.2 24C02简介 24C02是一个2K bit的串行EEPROM存储器，内部含有256个字节。在24C02里面还有一个8字节的页写缓冲器。该设备的通信方式IIC，通过其SCL和SDA与其他设备通信，芯片的引脚图如图35.1.2.1所示。

图35.1.2.1 24C02引脚图 上图中有一个WP，这个是写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写，我们的板子设计是把该引脚接地。每一个设备都有自己的设备地址，24C02也不例外，但是24C02的设备地址是包括不可编程部分和可编程部分，可编程部分是根据上图的硬件引脚A0、A1和A2所决定。设备地址最后一位用于设置数据的传输方向，即读操作/写操作，0是写操作，1是读操作，具体格式如下图35.1.2.2所示：

图35.1.2.2 24C02设备地址格式图 根据我们的板子设计，A0、A1和A2均接地处理，所以24C02设备的读操作地址为：0xA1；写操作地址为：0xA0。 在前面已经说过IIC总线的基本读写操作，那么我们就可以基于IIC总线的时序的上，理解24C02的数据传输时序。 下面把实验中到的数据传输时序讲解一下，分别是对24C02的写时序和读时序。24C02写时序图见图35.1.2.3所示。

图35.1.2.3 24C02写时序图 上图展示的主机向24C02写操作时序图，主机在IIC总线发送第1个字节的数据为24C02的设备地址0xA0，用于寻找总线上找到24C02，在获得24C02的应答信号之后，继续发送第2个字节数据，该字节数据是24C02的内存地址，再等到24C02的应答信号，主机继续发送第3字节数据，这里的数据即是写入在第2字节内存地址的数据。主机完成写操作后，可以发出停止信号，终止数据传输。 上面的写操作只能单字节写入到24C02，效率比较低，所以24C02有页写入时序，大大提高了写入效率，下面看一下24C02页写时序图，图35.1.2.4所示。

图35.1.2.4 24C02页写时序 在单字节写时序时，每次写入数据时窦需要先写入设备的内存地址才能实现，在页写时序中，只需要告诉24C02第一个内存地址1，后面数据会按照顺序写入到内存地址2，内存地址3等，大大节省了通信时间，提高了时效性。因为24C02每次只能写8bit数据，所以它的页大小也就是1字节。页写时序的操作方式跟上面的单字节写时序差不多，所以不作过多解释了。参考以上说明去理解页写时序。 说完两种写入方式之后，下面看一下图35.1.2.5关于24C02的读时序。

图35.1.2.5 24C02读时序图 24C02读取数据的过程是一个复合的时序，其中包含写时序和读时序。先看第一个通信过程，这里是写时序，起始信号产生后，主机发送24C02设备地址0xA0，获取从机应答信号后，接着发送需要读取的内存地址；在读时序中，起始信号产生后，主机发送24C02设备地址0xA1,获取从机应答信号后，接着从机返回刚刚在写时序中内存地址的数据，以字节为单位传输在总线上，假如主机获取数据后返回的是应答信号，那么从机会一直传输数据，当主机发出的是非应答信号并以停止信号发出为结束，从机就会结束传输。 以上的时序的发生基于软件IIC的实现，不用硬件IIC实现，虽然STM32H750带有IIC总线接口，但是ST把硬件IIC设计得非常复杂，所以使用起来很不方便，所以我们采用软件模拟。 35.2 硬件设计

1. 例程功能 每按下KEY1，MCU通过IIC总线向24C02写入数据，通过按下KEY0来控制24C02读取数据。同时在LCD上面显示相关信息。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源 1）RGB灯 RED : LED0 - PB4 2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面) 3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动) 4）独立按键 KEY0 - PA1 KEY1 - PA15 5）24C02 IIC_SCL - PB10 IIC_SDA - PB11
3. 原理图 我们主要来看看24C02和开发板的连接，如下图所示：

图35.2.1 24C02与开发板连接示意图 24C02的SCL和SDA分别连接在STM32的PB10和PB11上。本实验通过软件模拟IIC信号建立起与24C02的通信，进行数据发送与接收，使用按键KEY0和KEY1去触发，LCD屏幕进行显示。 35.3 程序设计 IIC实验中使用的是软件模拟IIC，所以用到的是HAL中GPIO相关函数，前面也有介绍到，这里就不做展开了。下面介绍一下使用IIC传输数据的配置步骤： 使用IIC传输数据的配置步骤 1）使能IIC的SCL和SDA对应的GPIO时钟。 本实验中IIC使用的SCL和SDA分别是PB10和PB11，因此需要先使能GPIOB的时钟，代码如下： __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); 2）设置对应GPIO工作模式（SCL推挽输出 SDA开漏输出） SDA线的GPIO模式使用开漏输出模式（硬件已接外部上拉电阻，也可以用内部的上拉电阻），而SCL线的GPIO模式使用推挽输出模式，通过函数HAL_GPIO_Init设置实现。 3）参考IIC总线协议，编写信号函数（起始信号，停止信号，应答信号） 起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变。 停止信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变。 应答信号：接收到IC数据后，向IC发出特定的低电平脉冲表示已接收到数据。 4）编写IIC的读写函数 通过参考时序图，在一个时钟周期内发送1bit数据或者读取1bit数据。读写函数均以一字节数据进行操作。 有了读和写函数，我们就可以对外设进行驱动了。 35.3.1 程序流程图

图35.3.1.1 IIC实验程序流程图 35.3.2 程序解析 本实验中，我们通过GPIO使用软件来模拟IIC，所以不需要用到HAL库的IIC驱动源码。在工程文件中，我们新增了myiic.c存放iic底层驱动代码，24cxx.c文件夹存放24C02驱动。

1. IIC底层驱动代码 这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。IIC驱动源码包括两个文件：myiic.c和myiic.h。 下面我们直接介绍IIC相关的程序，首先先介绍 myiic.h文件，其定义如下：

/* 引脚 定义 */
#define IIC_SCL_GPIO_PORT         	GPIOB
#define IIC_SCL_GPIO_PIN            	GPIO_PIN_10
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()	do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)

#define IIC_SDA_GPIO_PORT        	GPIOB
#define IIC_SDA_GPIO_PIN         	GPIO_PIN_11
#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE() 	do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) 

/* IO操作 */
#define IIC_SCL(x)    do{ x ? \
       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SCL */

#define IIC_SDA(x)    do{ x ? \
       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SDA */
/* 读取SDA */
#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) 
我们通过宏定义标识符的方式去定义SCL和SDA两个引脚，同时通过宏定义的方式定义了IIC_SCL() 和IIC_SDA()设置这两个管脚可以输出0或者1，主要还是通过HAL库的GPIO操作函数实现的。另外方便在iic操作函数中调用读取SDA管脚的数据，这里直接宏定义IIC_READ_SDA实现，在后面iic模拟信号实现中会频繁调用。
接下来我们看一下myiic.c代码中的初始化函数，代码如下：
/**
 * @brief      	初始化IIC
 * @param      	无
 * @retval    	无
 */
void iic_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();  	/* SCL引脚时钟使能 */
    IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();  	/* SDA引脚时钟使能 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;        		/* 推挽输出 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                   	/* 上拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; 	/* 快速 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);	/* SCL */

gpio_init_struct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;        		/* 开漏输出 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);	/* SDA */
/* SDA引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了, 开漏输出的时候(=1), 
也可以读取外部信号的高低电平 */

    iic_stop();     /* 停止总线上所有设备 */
}

在iic_init函数中主要工作就是对于GPIO的初始化，用于iic通信，不过这里需要注意的一点是SDA线的GPIO模式要使用开漏模式，特别注意：假如是STM32F103必须外接上拉电阻！ 接下来介绍在上面已经在文字上说明过的IIC模拟信号：起始信号、停止信号、应答信号，下面以代码方法实现，大家可以对着图去看代码，有利于理解。

/**
 * @brief     	IIC延时函数,用于控制IIC读写速度
 * @param     	无
 * @retval     	无
 */
static void iic_delay(void)
{
    delay_us(2);    /* 2us的延时, 读写速度在250Khz以内 */
}

/**
 * @brief      	产生IIC起始信号
 * @param      	无
 * @retval     	无
 */
void iic_start(void)
{
    IIC_SDA(1);
    IIC_SCL(1);
    iic_delay();
    IIC_SDA(0);     /* START信号: 当SCL为高时, SDA从高变成低, 表示起始信号 */
    iic_delay();
    IIC_SCL(0);     /* 钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */
    iic_delay();
}

/**
 * @brief     	产生IIC停止信号
 * @param      	无
 * @retval     	无
 */
void iic_stop(void)
{
    IIC_SDA(0);     /* STOP信号: 当SCL为高时, SDA从低变成高, 表示停止信号 */
    iic_delay();
    IIC_SCL(1);
    iic_delay();
    IIC_SDA(1);     /* 发送I2C总线结束信号 */
    iic_delay();
}

在这里首先定义一个iic_delay函数，目的就是控制IIC的读写速度，通过示波器检测读写速度在250KHz内，所以一秒钟传送500Kb数据，换算一下即一个bit位需要2us，在这个延时时间内可以让器件进行获得一个稳定性的数据采集。 为了大家更加清晰了解代码实现的过程，下面单独把起始信号和停止信号从iic总线时序图中抽取出来，如图35.3.2.1所示：

图35.3.2.1 起始信号与停止信号图 iic_start函数中，通过调用myiic.h中通过宏定义好的可以输出高低电平的SCL和SDA来模拟iic总线中起始信号的发送，在SCL时钟线为高电平的时候，SDA数据线从高电平状态转化到低电平状态，最后拉低时钟线，准备发送或者接收数据。 iic_stop函数中，也是按着模拟iic总线中停止信号的逻辑，在SCL时钟线为高电平的时候，SDA数据线从低电平状态转化到高电平状态。 接下来讲解一下iic的发送函数，其定义如下：

/**
 * @brief     	IIC发送一个字节
 * @param       	data: 要发送的数据
 * @retval      	无
 */
void iic_send_byte(uint8_t data)
{
    uint8_t t;
    
    for (t = 0; t > 7);    /* 高位先发送 */
        iic_delay();
        IIC_SCL(1);
        iic_delay();
        IIC_SCL(0);
        data > 8);	/* 发送高字节地址 */
    }
    else 
    {   /* 发送器件 0XA0 + 高位a8/a9/a10地址,写数据 */
        iic_send_byte(0XA0 + ((addr >> 8) 8)> 8);/* 发送高字节地址 */
    }
    else 
{
/* 发送器件 0XA0 + 高位a8/a9/a10地址,写数据 */
        iic_send_byte(0XA0 + ((addr >> 8)