STM32 IIC通信干货！理论+实例

2023-11-14

I2C总线简介

I2C总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线（也称IIC或I2C）是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，期间封装形式少，通信速率高等优点。

I2C总线特征

两条总线线路：一条串行数据SDA，一条串行时钟线SCL来完成数据的传输及外围器件的扩展
I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址
I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下
可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行单双工的数据传输。

I2C总线物理·拓扑结构

I2C 总线在物理连接上分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。
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I2C总线协议

I2C协议规定: 总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。
空闲状态： SCL和SDA都保持着高电平。
起始信号: 当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件
结束信号：当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件
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数据传输

数据传输以字节为单位 , 主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，数据在时钟的高电平被采样，一个字节按数据位从高位到低位的顺序进行传输
主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址，一般为7位，然后再发生数据传输的方向位， 0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据

应答信号

接收数据的器件在接收到 8bit 数据后，向发送数据的器件发出低电平的应答信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之，由接收数据的器件发出。
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I2C总线读写操作

主设备往从设备写数据
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主设备读从设备数据

主设备读从设备的某个寄存器

STM32F4-I2C控制器特性

软件模拟I2C时序

由于直接控制 GPIO 引脚电平产生通讯时序时，需要由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。

硬件控制产生I2C时序

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，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，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。这种由硬件外设处理 I2C协议的方式减轻了 CPU 的工作，且使软件设计更加简单。

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I2C的主要特点

● I2C总线规范 rev03 兼容性：
－从机模式和主机模式
－多主机功能
－标准模式（高达 100kHz ）
－快速模式（高达 400kHz ）
－超快速模式（高达 1 MHz ）
－ 7 位和 10 位地址模式
－软件复位
● 1 字节缓冲带 DMA 功能

STM32F4-I2C通讯引脚

STM32芯片有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。
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EEPROM简介

EEPROM介绍

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)，带电可擦可编程只读存储器–一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。
EEPROM常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM 芯片最常用的通讯方式就是 I 2 C 协议
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24CXX简介

AT24XX芯片容量
XX表示：01、02、04、16、32、64、……
单位： Kbit
AT24XX芯片引脚
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24C65设备地址

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24CXX的设备地址：
24CXX的设备地址为7位：
高4位恒定为 1010
低3位取决于A0-A2的电平状态

注：一般主机在读写24CXX都是把设备地址连同读写位组合成一个字节一起发送

24C65硬件原理图

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设备地址：
读地址： 1010 0001 即 0xA1
写地址： 1010 0000 即 0xA0

24C65读写时序

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/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  ** This notice applies to any and all portions of this file
  * that are not between comment pairs USER CODE BEGIN and
  * USER CODE END. Other portions of this file, whether 
  * inserted by the user or by software development tools
  * are owned by their respective copyright owners.
  *
  * COPYRIGHT(c) 2018 STMicroelectronics
  *
  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without modification,
  * are permitted provided that the following conditions are met:
  *   1. Redistributions of source code must retain the above copyright notice,
  *      this list of conditions and the following disclaimer.
  *   2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice,
  *      this list of conditions and the following disclaimer in the documentation
  *      and/or other materials provided with the distribution.
  *   3. Neither the name of STMicroelectronics nor the names of its contributors
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  *      without specific prior written permission.
  *
  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS"
  * AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
  * DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT HOLDER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR
  * SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER
  * CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);

/* USER CODE BEGIN PFP */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

/* USER CODE END PFP */

/* USER CODE BEGIN 0 */


#define ReadAddr   0xA1
#define WriteAddr  0xA0

uint8_t Wbuf[20] = "EEPROM TEST OK!";
uint8_t Rbuf[20] = {0};


int fputc(int ch, FILE *p)
{
	while(!(USART1->SR & (1<<7)));
	
	USART1->DR = ch;
	
	return ch;
}


/*********  24C65 写数据函数*****************************/

void  Eeprom_Write(uint16_t MemAddr, uint8_t *Wbuf, uint16_t len )
{
	 while(len--)
	 {
			while(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, WriteAddr, MemAddr, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT, Wbuf, 1, 100) != HAL_OK){};
		  MemAddr++;
		  Wbuf++;
	 }
}


/*********  24C65 读数据函数*****************************/

void  Eeprom_Read(uint16_t MemAddr, uint8_t *Rbuf, uint16_t len )
{
	 while(HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ReadAddr, MemAddr, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT, Rbuf  , len, 100) != HAL_OK );
}

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  *
  * @retval None
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration----------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

	printf("this is i2c eeprom test\n");

	Eeprom_Write(0, Wbuf, sizeof(Wbuf) );
	
	HAL_Delay(500);
	
	Eeprom_Read(0 , Rbuf, sizeof(Rbuf));
	
	printf("READ:  %s\n", Rbuf);


  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

  /* USER CODE END WHILE */

  /* USER CODE BEGIN 3 */

  }
  /* USER CODE END 3 */

}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{

  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

    /**Configure the main internal regulator output voltage 
    */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();

  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

    /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
    */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

    /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
    */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

    /**Configure the Systick interrupt time 
    */
  HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000);

    /**Configure the Systick 
    */
  HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);

  /* SysTick_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @param  file: The file name as string.
  * @param  line: The line in file as a number.
  * @retval None
  */
void _Error_Handler(char *file, int line)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  while(1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/**
  * @}
  */

/**
  * @}
  */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

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