• stm32 i2c
  • I2C 介绍
  • I2C 总线协议
    • 1. 起始信号
    • 2. 停止信号
    • 3. 应答信号
    • 4. 数据有效性
    • 5. 数据传输
    • 6. 空闲状态
    • 读写通信过程
    • 写操作
    • 读操作
  • 外设数据传输协议
    • 24C02
      • 24C02 单字节流写时序
      • 24C02 页 写时序
      • 24C02 读时序
  • 实验

stm32 i2c

I2C 介绍

I2C 是 两线式串行 总线, 用于连接微控制器以及其外围设备, 有两根线：SDA(数据线)，SCL(时钟线)

IIC 总线有如下特点：

• 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。
• 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。
• 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。
• 总线上数据的传输速率
  • 在标准模式下可达 100kbit/s (12k字节/s)。
  • 在快速模式下可达 400kbit/s (48k字节每秒)
  • 在高速模式下可达 3.4Mbit/s(500k字节每秒)
• 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

I2C 总线协议

记住，I2C，你就默认看SCL是高电平的时候，看就行了

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，总线就处于被占用状态，准备数据传输。

I2C起始信号 = 下降沿

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，总线就处于空闲状态。

I2C停止信号 = 上升沿

3. 应答信号

发送器每发送一个字节(8bit)，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线(第9bit)，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。

读写通信过程

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

写操作

时序流程：

• (主)起始信号 (Start)：主机将 SDA 线从高电平拉低，同时 SCL 为高电平。
• (主)发送从机地址(7bit) + 写操作 (0)(1bit)：主机发送 7 位从机地址，第 8 位为 0(表示写入)。
• (从)应答 (ACK)：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, 从机识别到地址匹配，拉低 SDA 线反馈一个应答位。
• (主)发送寄存器地址 (Reg Address)：主机发送想要操作的第一个寄存器地址。
• (从)应答 (ACK)：从机接收后反馈 ACK。

  开始发送字节数据, Loop(N)

• (主)发送数据 1 (Data 1)：主机发送第一个字节数据。
• (从)应答 (ACK)：从机接收后反馈 ACK。

  发送数据 N (Data N)：主机会继续发送后续数据，每发完一个字节，从机都要反馈一个 ACK。
  对于支持“地址自增”的从机，数据会自动存入连续的寄存器。

• (主)停止信号 (Stop)：全部发送完成后，主机在 SCL 为高电平时将 SDA 从低电平释放为高电平。

读操作

读操作通常分为两个阶段：

1. 先通过“伪写”告知寄存器地址，
2. 再进行实际读取。

时序流程：

• (主)起始信号(Start)。
• (主)发送从机地址(7bit) + 写操作(0)(1bit)
• (从)应答 (ACK)。
• (主)发送寄存器地址 (Reg Address)：告诉从机你要从哪个位置开始。
• (从)应答 (ACK)。

  从这里开始，读操作和写操作开始区分了，意图显露

• (主)重复起始信号 (Restart)：不发送停止信号，直接再次发出起始信号，准备切换到读模式。
• (主)发送从机地址(7bit) + 读操作(1)(1bit) 。 主机发送 7 位地址，第 8 位为 1(表示读取)。
• (从)应答 (ACK)：从机反馈 ACK，从机开始接管 SDA 控制权。

  接下来从机开始接管SDA，发送数据，Loop(N)

• (从)从机发送数据 1 (Data 1)：从机发送数据，主机接收。
• (主)主机应答 (ACK)：关键点，主机收到数据后，如果还想继续读，必须拉低 SDA 反馈 ACK。
• (从)从机发送数据 N (Data N)：重复上述过程。
• (主)非应答 (NACK)：当主机接收完最后一个字节后，必须发送 NACK(高电平)，告诉从机“我不要了”。
• (主)停止信号 (Stop)。(起始停止信号，永远主机发出)

外设数据传输协议

由于i2c是用来读写外设内部数据的，本质上还是在传输字节流。

这就意味着，必须要规范这个外设数据传输协议，就是说，如何理解这个字节流。

下面以24C02这个外设的字节流(数据传输协议)为例

24C02

24C02 是一个:

• 2K bit (2^11bit)的串行 EEPROM 存储器，内部含有 256 个字节(2^8byte)。
• 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
• 24C02 设备的读操作地址为：0xA1，写操作地址为：0xA0

WP 引脚是写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写(我们接地)

24C02 单字节流写时序

这个就是正常的i2C的一次写一个字节的时序图

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

24C02 页 写时序

在单字节写时序时，每次写入数据时都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

这个本质上就是写寄存器地址自动后移

因为 24C02 每次只能 8bit 数据，所以它的页大小也就是 1 字节， 所以还是字节流

24C02 读时序

实验

ST 为了规避飞利浦 IIC 专利问题，将 STM32 的硬件 IIC 设计的比较复杂，而且稳定性不怎么好，所以这里我们不推荐使用。

用软件模拟 IIC，最大的好处就是方便移植，同一个代码兼容所有 MCU，任何一个单片机只要有 IO 口，就可以很快的移植过去，而且不需要特定的 IO 口。

而硬件 IIC，则换一款 MCU，基本上就得重新移植，这也是我们推荐使用软件模拟 IIC 的另外一个原因

本实验中，我们通过 GPIO 来模拟 IIC，所以不需要使用 FWLIB 分组下添加 HAL 库文件支持。实验工程中，我们新增了 myiic.c 存放 iic 底层驱动代码，24cxx.c 文件存放 24C02 驱动。

功能和代码很简单，就是靠gpio电平翻转来模拟i2c协议。不过多赘述了

有一点要注意：

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_HIGH;      /* 高速 */
    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 */
}

推挽输出的特点是：

• 输出 1 时，上方的 P-MOS 管导通，将引脚强行拉到 VCC；

• 输出 0 时，下方的 N-MOS 管导通，将引脚强行拉到 GND。

• 短路风险：

  • 如果主机配置为推挽输出 1(正在往 VCC 拉)，而此时从机正好产生应答 ACK 输出 0(正在往 GND 拉)，这就相当于 VCC 与 GND 直接打架(短路)。轻则通信失败，重则烧毁 GPIO。

• 无法监听：推挽输出是一种“强驱动”，外部设备很难改变它的电平。

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开漏(Open-Drain)如何实现“读写合一”？

这是 STM32 硬件设计的一个妙处。在开漏输出模式下，P-MOS 管是永远关闭的，只有 N-MOS 管受控制：

写 0(拉低电平)：N-MOS 导通，引脚接到 GND，由于此时电流流入 GND，电平变低。

写 1(释放总线)：N-MOS 截止。此时引脚处于“高阻态”，全靠外部或内部的上拉电阻将电平拉高。

开漏本质上只能控半边，另一边由上下拉的电阻来实现。

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为什么写 1 之后能直接读？

正如你所猜测的，STM32 的输入电路(Input Data Register, IDR)在开漏输出模式下依然是工作的。

当你设置 ODR = 1(写 1)时，主机实际上是“松手”了。这时候 SDA 线的电平高低完全由总线上其他设备说了算：

如果没有人拉低它，由于上拉电阻的存在，电平是高，你读 IDR 得到 1。

如果有从机(Slave)为了发 ACK 把它拉低了，电平就是低，你读IDR得到到 0。

底层逻辑：
在 STM32 的 GPIO 结构图中，输出控制回路和输入读取回路是并行的。只要你没有关闭输入施密特触发器，IDR 寄存器就会实时反映引脚上的电压情况。

在很多老的代码里，你会看到读 ACK 之前要调用一次 IIC_SDA_IN()(改变寄存器把模式从 Output 换成 Input)，读完后再调用 IIC_SDA_OUT()。

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你的这份代码使用的 “开漏+上拉”方案 有以下好处：

省事：不需要频繁切换 GPIO 的 Mode 寄存器，减少了 CPU 开销。

安全：利用了 I2C 标准的“线与(Wired-AND)”特性。只要有一个设备输出 0，总线就是 0。

双向无缝：只需要记住一个原则——在读取从机数据(或 ACK)之前，主机必须先写 1 释放总线。