STM32-IIC

一、IIC 是什么IIC 也常写作 I2C全称是Inter Integrated Circuit即集成电路总线。它是一种同步通信总线数据传输由时钟线同步。串行通信总线数据按位传输。半双工通信总线同一时刻通常只在一个方向上传输数据。可以先用两句话理解总线传输数据的通道 协议传输数据的规则IIC 的作用就是让主机和多个从机共用一组通信线并通过设备地址区分不同器件。二、IIC 总线结构IIC 总线由两根信号线组成信号线名称作用SCLSerial Clock时钟线用于同步数据收发SDASerial Data数据线用于传输数据从图中可以看到SCL 和 SDA 都需要接上拉电阻到 VCC。这样做的原因是IIC 总线上的器件通常只主动拉低总线不主动强推高电平。当器件释放总线后SCL/SDA 会被上拉电阻拉回高电平。IIC 总线的几个核心特点SCL 和 SDA 都是双向线。总线空闲时SCL 和 SDA 都为高电平。总线支持多设备连接。总线上允许多个主机和多个从机存在。每个设备都有唯一地址。总线设备数量受总线电容限制常见最大电容约为 400 pF。三、IIC 通信速率IIC 常见速率如下模式速率标准模式100 kbit/s快速模式400 kbit/s高速模式3.4 Mbit/sSTM32 入门项目中标准模式和快速模式最常见。四、IIC 协议的三个信号IIC 协议中最基础的三个信号是起始信号停止信号应答信号这张图可以作为理解 IIC 的核心图。看懂它IIC 就不再像两根线上的玄学了。1. 起始信号 START起始信号由主机发出。产生条件SCL 为高电平期间SDA 从高电平变为低电平也就是SCL 1 SDA: 1 - 0起始信号不是一个普通电平而是一个电平跳变过程。起始信号产生后总线进入被占用状态后续可以开始发送地址和数据。2. 停止信号 STOP停止信号也由主机发出。产生条件SCL 为高电平期间SDA 从低电平变为高电平也就是SCL 1 SDA: 0 - 1停止信号发出后本次通信结束总线重新进入空闲状态。3. 应答信号 ACKIIC 每传输完 1 字节数据后都需要在第 9 个时钟周期进行应答。发送器发送完 8 bit 后会释放 SDA由接收器反馈应答信号。应答类型SDA 电平含义ACK低电平接收方成功接收数据NACK高电平接收方未应答或主机通知结束读取应答信号的关键点第 9 个时钟周期接收方拉低 SDA 表示 ACK SDA 保持高电平则表示 NACK读取最后一个字节时主机通常发送 NACK告诉从机“我不继续读了”。五、两个注意数据有效性与传输顺序1. 数据有效性IIC 数据传输时有一条铁律SCL 高电平期间SDA 必须保持稳定。 SCL 低电平期间SDA 才允许变化。换句话说SCL 高电平 - 接收方读取 SDA SCL 低电平 - 发送方准备下一位数据起始信号和停止信号是例外因为它们正是利用 SCL 高电平期间 SDA 的跳变来表示特殊状态。2. 数据传输顺序IIC 数据先发送高位也就是 MSB first。1 字节数据传输顺序为bit7 - bit6 - bit5 - bit4 - bit3 - bit2 - bit1 - bit0 - ACK/NACK所以一个完整字节传输实际需要 9 个时钟周期8 bit 数据 1 bit 应答六、一个状态总线空闲IIC 总线空闲状态为SCL 高电平 SDA 高电平此时所有设备都释放总线由上拉电阻将两根线拉高。调试 IIC 时如果空闲状态下 SCL 或 SDA 一直为低通常说明总线被某个设备拉住。GPIO 模式配置错误。上拉电阻异常。从机未正常供电或进入异常状态。SDA/SCL 线接错。七、AT24C02 简介AT24C02 是一种 EEPROM 存储器容量为 2K bit使用 IIC 通信。容量换算2K bit 2048 bit 256 ByteEEPROM 的特点是掉电后数据不丢失因此常用于保存少量配置数据例如设备参数校准数据用户设置运行标志产品序列号八、AT24C02 引脚说明AT24C02 常见关键引脚如下引脚作用A0/A1/A2设备地址决定引脚WP写保护引脚SCLIIC 时钟线SDAIIC 数据线1. A0/A1/A2A0、A1、A2 决定设备地址中的可编程部分。如果同一条 IIC 总线上连接多个 AT24C02可以通过不同的 A0/A1/A2 硬件电平让它们拥有不同地址。2. WPWP 是写保护引脚。当写保护有效时EEPROM 写操作会被禁止当写保护无效时可以正常读写。实际电平关系要以具体芯片手册为准。九、AT24C02 通讯地址AT24C02 的地址由三部分组成1010 A2 A1 A0 R/W含义如下字段说明1010固定部分A2/A1/A0由硬件管脚决定R/W数据传输方向读写方向位R/W含义0写数据1读数据如果 A0、A1、A2 均接地则常见 8 位地址为写操作地址0xA0 读操作地址0xA1需要注意不同库函数对 IIC 地址格式的要求可能不同。有的函数要求 7 位地址有的函数使用包含读写位的 8 位地址。写代码前要看清 API 说明。十、AT24C02 写时序AT24C02 写 1 字节数据的流程为起始信号 - 地址和写方向 - 应答信号 - 内存地址 - 应答信号 - 数据内容 - 应答信号 - 停止信号用更工程化的方式理解START - 发送 0xA0 - 等待 ACK - 发送 EEPROM 内部地址 - 等待 ACK - 发送要写入的数据 - 等待 ACK - STOPEEPROM 写入后通常需要内部写周期。写完马上读有时会读不到新数据因此驱动中常见处理方式是写入后延时一段时间。或者轮询 ACK等待 EEPROM 内部写入完成。十一、AT24C02 读时序AT24C02 随机读 1 字节数据的流程为起始信号 - 地址和写方向 - 应答信号 - 内存地址 - 应答信号 - 起始信号 - 地址和读方向 - 应答信号 - 数据内容 - 应答信号 - 停止信号这里最容易困惑的一点是明明是读数据为什么一开始还要发送写地址原因是主机要先告诉 EEPROM “我要读哪个内部地址”。发送内部地址这个动作需要通过写方向完成。然后主机再发送重复起始信号切换到读方向从该内部地址读取数据。实际流程可以理解为先定位地址 再读取数据十二、硬件 IIC 和软件 IIC 的区别STM32 可以使用硬件 IIC 外设也可以用 GPIO 模拟 IIC 时序。对比项硬件 IIC软件 IIC实现方式使用 STM32 I2C 外设使用 GPIO 模拟 SCL/SDA用法依赖 HAL/寄存器状态机时序逻辑直观速度更适合较高速度受软件延时影响稳定性配置正确后效率高更容易调试和移植引脚使用受 I2C 外设复用引脚限制普通 GPIO 即可入门阶段用软件 IIC 很适合理解协议工程中如果追求效率和更规范的总线管理可以使用硬件 IIC。十三、软件 IIC 配置步骤1. 使能 SCL 和 SDA 对应 GPIO 时钟根据实际使用的 GPIO 端口使能对应时钟。例如使用 GPIOB__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();实际工程中用到哪个 GPIO 口就使能哪个 GPIO 时钟。2. 设置 GPIO 工作模式常见软件 IIC 配置方式信号配置建议SCL推挽输出或开漏输出SDA开漏输出并支持读取输入状态IIC 总线更符合开漏 上拉的结构。单主机软件 IIC 中有些工程会将 SCL 配成推挽输出、SDA 配成开漏输出如果总线上设备较多SCL/SDA 都用开漏更稳妥。GPIO 初始化常用HAL_GPIO_Init();3. 编写基本信号函数软件 IIC 至少需要封装这些基础信号iic_start(); iic_stop(); iic_wait_ack(); iic_ack(); iic_nack();这些函数分别对应起始、停止、等待应答、发送应答和发送非应答。4. 编写读写字节函数基础字节函数通常包括iic_send_byte(); iic_read_byte();发送字节时高位先发读取字节时主机需要在 SCL 高电平期间读取 SDA。十四、AT24C02 驱动步骤AT24C02 驱动可以分三层实现。1. 初始化 IIC 接口完成 GPIO 时钟、SCL/SDA 引脚和总线空闲状态初始化。初始化完成后应保证SCL 高电平 SDA 高电平2. 编写单字节写入和读取函数单字节写入函数一般封装为at24c02_write_byte();核心步骤是设备写地址 - 内存地址 - 数据单字节读取函数一般封装为at24c02_read_byte();核心步骤是设备写地址 - 内存地址 - 重复起始 - 设备读地址 - 读取数据3. 编写连续读和连续写函数连续读写可以在单字节读写基础上扩展。连续读取比较直接从指定地址开始连续读取多个字节即可。连续写入要注意 EEPROM 页写机制。AT24C02 支持页写但跨页写入可能出现地址回卷导致覆盖同一页前面的数据。稳妥做法是按页边界拆分写入。