单片机-STM32部分：12、I2C

飞书文档https://x509p6c8to.feishu.cn/wiki/MsB7wLebki07eUkAZ1ec12W3nsh

一、简介

IIC协议，又称I2C协议，是由PHILP公司在80年代开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，IIC属于半双工同步通信方式。

IIC是一种同步的串行通信总线协议，它可以在多个设备之间传输数据。IIC总线由两根线组成：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。它使用主从模式，其中一个设备作为主设备控制总线并向其他设备发出命令。IIC协议可以支持高速数据传输和多设备通信，但它的距离限制较短。 UART是一种异步的串行通信协议，它用于在两个设备之间传输数据。UART协议使用两根线：TX（发送）和RX（接收）。UART没有时钟线，数据传输的时序是通过发送和接收设备之间的协议约定实现的。UART协议通常用于短距离通信，例如在计算机和串口设备之间进行通信。 因此，IIC和UART协议在通信的方式、数据传输速度和距离限制等方面存在差异，根据具体的应用场景和需求选择合适的协议更为重要。

多主控(multimastering)

其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线，一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

特征：简单性和有效性

两根线，在标准模式下，I2C总线的最大长度为5米，最大速率为100 kbit/s。在快速模式下，I2C总线的最大长度为1米，最大速率为400 kbit/s。在高速模式下，I2C总线的最大长度为0.4米，最大速率为3.4 Mbit/s。需要注意的是，总线长度的实际限制还取决于总线上的电容负载和电缆质量等因素。

IIC完成的通讯过程如下：

IIC完整的通讯过程

1. 1、总线是空闲状态，SCL=1，SDA =1；
2. 2、要开始传输数据了，此时SCL还是高电平，SCL=1，主机将SDA从1变成0；
3. 3、跟哪个从机通讯，把从机的地址发出去。一般地址是8个bit（也有16个bit的），这8个bit其实真实的地址是7个bit，最后1个bit是用来表示读或者写的。1表示读，0表示写；这个过程相当于主机往SDA上发了8个bit的数据（地址也是数据啊）；
4. 4、主机发地址的过程，相当于在找从机，从机是要给应答信号的，就是ACK，你老板喊你，你也得先回答声A吧；
5. 5、应答之后，就是要传输数据了，如果第3步中发的地址是写操作，那就由主机来控制SDA的电平变化，如果第3步中发的地址是读操作，那就由从机来控制SDA的电平变化；
6. 6、每次8bit的数据传输完成，都要有个应答信号，谁接收数据，谁来应答
7. 7、完事之后，在SCL高电平时，主机把SDA从低电平拉高，表示结束。

STM32中的I2C

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。

SMBus(系统管理总线—System Management Bus)

SMBus总线和I2C是比较类似的，所以STM32兼容了这两种设计，一般场景比较少用SMBus，I2C则是非常多外设使用的接口，我们本节课以I2C为主，看看如何使用STM32的I2C功能。

选择为I2C功能后，会自动选择对应的IO作为I2C的IO，这里I2C是支持重映射的，我们可以根据需要手动修改。

然后，我们可以设置I2C的主从模式，这里我们设置主机模式，模式为Standard Mode，速率为100000Hz。

Master features 主模式特性

Master 为主机模式相关参数，如果是驱动触摸屏、传感器、EEPROM等外设，只需配置这里的参数。

Slave 为从机模式相关参数，如果是开发触摸屏，传感器本身，则需要配置从机参数。

 

Standard Mode：标准模式

Fast Mode：高速模式

这两种模式支持的通讯速率不同，在标准模式中，最大只能设置100KHz，作为主机时，速率大小要看从机支持的最大速率，一般来说100KHz可以满足上述的触摸屏、传感器、EEPROM的驱动。

Slave features 从模式特性

作为主机使用时，这里无需修改

Clock No Stretch Mode： 时钟没有扩展模式 IIC时钟拉伸(Clock stretching)：clock stretching通过将SCL线拉低来暂停一个传输.直到释放SCL线为高电平,传输才继续进行.clock stretching是可选的,实际上大多数从设备不包括SCL驱动,所以它们不能stretch时钟. Primary Address Length selection： 从设备地址长度 设置从设备的地址是7bit还是10bit 大部分为7bit Dual Address Acknowledged： 双地址确认 Primary slave address：  从设备初始地址

然后就可以生成MDK工程，这里主要用的函数有四个：

HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,                          uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); 功能：IIC写数据 参数：     *hi2c 设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1     DevAddress 写入的地址 设置写入数据的地址 例 0xA0     *pData 需要写入的数据     Size 要发送的字节数     Timeout 最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数 HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,                         uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); 功能：IIC读一个字节 参数：     *hi2c： 设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1     DevAddress： 写入的地址 设置写入数据的地址 例 0xA0     *pDat：a 存储读取到的数据     Size： 发送的字节数     Timeout： 最大读取时间，超过时间将自动退出读取函数 HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,                   uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); - 功能：IIC写多个数据，该函数适用于IIC外设里面还有子地址寄存器的地址，比如E2PROM，除了        设备地址，每个存储字节都有其对应的地址。 - 参数：   *hi2c      设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1   DevAddress 写入的地址 设置写入数据的地址 例：0xA0   MemAddress 从机寄存器地址，每写入一个字节数据，地址就会自动+1   MemAddSize 从机寄存器地址字节长度 8位/16位              写入数据的字节类型 8位/16位              I2C_MEMADD_SIZE_8BIT              I2C_MEMADD_SIZE_16BIT   *pData     需要写入的数据的起始地址   Size       传输数据的大小，需要发送的字节数   Timeout    最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数 - 例如：HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,ADDR,i,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8,1000); HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,                  uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize,                  uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)； - 功能：IIC读多个数据，该函数适用于IIC外设里面还有子地址寄存器的地址，比如E2PROM，除了        设备地址，每个存储字节都有其对应的地址。 - 参数：   *hi2c      设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1   DevAddress 读设备的地址 设置读数据的地址 例：0xA0   MemAddress 从机寄存器地址，每读出一个字节数据，地址就会自动+1   MemAddSize 从机寄存器地址字节长度 8位/16位              读出数据的字节类型 8位/16位              I2C_MEMADD_SIZE_8BIT              I2C_MEMADD_SIZE_16BIT   *pData     需要读出的数据的起始地址   Size       传输数据的大小，需要读出的字节数   Timeout    最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数 如果只往某个外设中写数据，则用Master_Transmit。　 如果是外设里面还有子地址，例如我们的E2PROM，有设备地址，还有每个数据的寄存器存储地址。则用Mem_Write。 Mem_Write是2个地址，Master_Transmit只有从机地址。 HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,WriteBuffer,BufferSize, 0xff); HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA1, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,ReadBuffer,BufferSize, 0xff);

EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。

https://item.szlcsc.com/320744.html

BL24C02是一个2Kbit的EEPROM， 内部含有256个字节可以存储数据，总共有32页，每页8Byte。

设备读写地址说明

其中设备地址如下，A2 A1 A0对应芯片硬件接的电平

 

如果我们把A2 A1 A0都接到GND，这时候，

写数据时，设备地址字节应该是0b1010 0000=0xA0

读数据时，设备地址字节应该是0b1010 0001=0xA1

参考飞书文档

字节写

每次写入一个Byte数据

• 先发送起始信号
• 发送从设备地址+写入标志数据（Wbit=0），等待应答
• 发送写入地址，等待应答
• 发送数据，等待应答
• 发送结束信号。

页写

每次可以写入一页（8Byte）的数据

读字节

连续读

连续读操作可通过立即读或选择性读操作启动。在 24C02 发送完一个 8 位字节数据后，主器件产生一个应答信号来响应，告知 24C02  主器件要求更多的数据，对应每个主机产生的应答信号 24C02 将发送一个 8 位数据字节。当主器件不发送应答信号而发送停止位时结束此操作。

STM32CUBEMX开启I2C1，对应PB6 PB7

然后打开USART1用于打印日志，方便查看

注意，要勾选MicroLIB哦，否则printf打印不了数据

然后添加代码如下：

main.c/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes *//* USER CODE BEGIN 0 */
#define ADDR_24LCxx_Write 0xA0
#define ADDR_24LCxx_Read 0xA1
#define BufferSize 8
uint8_t WriteBuffer[BufferSize] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
uint8_t ReadBuffer[BufferSize] = {0};
/* USER CODE END 0 */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */printf("start to test i2c eeprom\n");if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Write, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, WriteBuffer, sizeof(WriteBuffer), 0xff) == HAL_OK){printf("EEPROM 24C02 Write Test OK \r\n");}HAL_Delay(10);          /* read date from EEPROM */HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Read, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, ReadBuffer, sizeof(ReadBuffer), 0xff);for(int i = 0; i < sizeof(ReadBuffer); i++){printf("0x%02X  ",ReadBuffer[i]);}HAL_Delay(1000);}/* USER CODE END 3 *//* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);return ch;
}

打印如下

温湿度传感器

温湿度传感器：CJ-GXHT3L

GXHT3L-DIS 是中科银河芯开发的新一代单芯片集成温湿度一 体传感器。

★ I2C 接口，通信速度高达 1MHz

★ 两个用户可选择的地址

★ GXHT3L 典型精度为±4%RH 和±0.5°C

★ GXHT30 典型精度为±3%RH 和±0.3°C

★ GXHT31 典型精度为±2%RH 和±0.3°C

★ 单芯片集成温湿传感器

★ 高可靠性和长期稳定性

★ 测量 0-100%范围相对湿度

★ 测量-45-130℃范围内温度

https://item.szlcsc.com/3199174.html

关于设备地址与ADDR管脚说明：

这里要注意的是，0x44指的是I2C地址的高7位，第八位为读写标志位。

 

0x44 = 0b0100 0100，把最高位去掉 = 0b100 0100

写数据时，设备地址字节应该是0b1000 1000=0x88

读数据时，设备地址字节应该是0b1000 1001=0x89

高重复率和周期转换频率，例如0x2130中，21代表每秒转换一次，30代表高重复率。

设置进入连续转换模式的命令

* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#define    GXHT3L_ADDR_WRITE    0x44<<1         //10001000
#define    GXHT3L_ADDR_READ     (0x44<<1)+1     //10001001typedef enum
{/* 软件复位命令 */SOFT_RESET_CMD = 0x30A2,   /* 加热使能/禁能命令 */PREHEAT_ENABLE_CMD = 0x306D,PREHEAT_DISENABLE_CMD = 0x3066,/* 芯片状态命令 */DEVICE_STATUS_CMD = 0xF32D,/*单次测量模式命名格式：Repeatability_CS_CMDCS：Clock stretching*/HIGH_ENABLED_CMD    = 0x2C06,MEDIUM_ENABLED_CMD  = 0x2C0D,LOW_ENABLED_CMD     = 0x2C10,HIGH_DISABLED_CMD   = 0x2400,MEDIUM_DISABLED_CMD = 0x240B,LOW_DISABLED_CMD    = 0x2416,/*周期测量模式命名格式：Repeatability_MPS_CMDMPS：measurement per second*/HIGH_0_5_CMD   = 0x2032,MEDIUM_0_5_CMD = 0x2024,LOW_0_5_CMD    = 0x202F,HIGH_1_CMD     = 0x2130,MEDIUM_1_CMD   = 0x2126,LOW_1_CMD      = 0x212D,HIGH_2_CMD     = 0x2236,MEDIUM_2_CMD   = 0x2220,LOW_2_CMD      = 0x222B,HIGH_4_CMD     = 0x2334,MEDIUM_4_CMD   = 0x2322,LOW_4_CMD      = 0x2329,HIGH_10_CMD    = 0x2737,MEDIUM_10_CMD  = 0x2721,LOW_10_CMD     = 0x272A,/* 周期测量模式读取数据命令 */READOUT_FOR_PERIODIC_MODE = 0xE000,
} GXHT3L_CMD;
/* USER CODE END Includes *//* USER CODE BEGIN 0 */
/*** @brief    向GXHT3L发送一条指令(16bit)* @param    cmd —— GXHT3L指令（在GXHT3L_MODE中枚举定义）* @retval    成功返回HAL_OK
*/
static uint8_t GXHT3L_Send_Cmd(GXHT3L_CMD cmd)
{uint8_t cmd_buffer[2];cmd_buffer[0] = cmd >> 8;cmd_buffer[1] = cmd;return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_WRITE, (uint8_t*) cmd_buffer, 2, 0xFFFF);
}/*** @brief    复位GXHT3L* @param    none* @retval    none
*/
static void GXHT3L_Reset(void)
{GXHT3L_Send_Cmd(SOFT_RESET_CMD);HAL_Delay(20);
}void GXHT3L_Preheat_Disable(void)
{GXHT3L_Send_Cmd(PREHEAT_DISENABLE_CMD);HAL_Delay(20);
}uint8_t GXHT3L_Read_Status(uint8_t* dat)
{GXHT3L_Send_Cmd(DEVICE_STATUS_CMD);return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_READ, dat, 3, 0xFFFF);
}/*** @brief    初始化GXHT3L* @param    none* @retval    成功返回HAL_OK* @note    周期测量模式
*/
uint8_t GXHT3L_Init(void)
{return GXHT3L_Send_Cmd(MEDIUM_2_CMD);
}/*** @brief    从GXHT3L读取一次数据* @param    dat —— 存储读取数据的地址（6个字节数组）* @retval    成功 —— 返回HAL_OK
*/
uint8_t GXHT3L_Read_Dat(uint8_t* dat)
{GXHT3L_Send_Cmd(READOUT_FOR_PERIODIC_MODE);return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_READ, dat, 6, 0xFFFF);
}#define CRC8_POLYNOMIAL 0x31uint8_t CheckCrc8(uint8_t* const message, uint8_t initial_value)
{uint8_t  remainder;        //余数uint8_t  i = 0, j = 0;  //循环变量/* 初始化 */remainder = initial_value;for(j = 0; j < 2;j++){remainder ^= message[j];/* 从最高位开始依次计算  */for (i = 0; i < 8; i++){if (remainder & 0x80){remainder = (remainder << 1)^CRC8_POLYNOMIAL;}else{remainder = (remainder << 1);}}}/* 返回计算的CRC码 */return remainder;
}/*** @brief    将GXHT3L接收的6个字节数据进行CRC校验，并转换为温度值和湿度值* @param    dat  —— 存储接收数据的地址（6个字节数组）* @retval    校验成功  —— 返回0*             校验失败  —— 返回1，并设置温度值和湿度值为0
*/
uint8_t GXHT3L_Dat_To_Float(uint8_t* const dat, float* temperature, float* humidity)
{uint16_t recv_temperature = 0;uint16_t recv_humidity = 0;/* 校验温度数据和湿度数据是否接收正确 */if(CheckCrc8(dat, 0xFF) != dat[2] || CheckCrc8(&dat[3], 0xFF) != dat[5])return 1;/* 转换温度数据 */recv_temperature = ((uint16_t)dat[0]<<8)|dat[1];*temperature = -45 + 175*((float)recv_temperature/65535);/* 转换湿度数据 */recv_humidity = ((uint16_t)dat[3]<<8)|dat[4];*humidity = 100 * ((float)recv_humidity / 65535);return 0;
}/* USER CODE BEGIN 1 */uint8_t recv_dat[6] = {0};uint8_t recv_status[3] = {0};float temperature = 0.0;float humidity = 0.0;/* USER CODE END 1 *//* USER CODE BEGIN 2 */GXHT3L_Reset();if(GXHT3L_Init() == HAL_OK)printf("GXHT3L init ok.\n");elseprintf("GXHT3L init fail.\n");if(GXHT3L_Read_Status(recv_status) == HAL_OK){printf("GXHT3L Read Status ok. Status = 0x%x%x\n",recv_status[0],recv_status[1]);}elseprintf("GXHT3L Read Status fail.\n");/* USER CODE END 2 */while (1){/* USER CODE BEGIN 3 */HAL_Delay(1000);if(GXHT3L_Read_Dat(recv_dat) == HAL_OK){if(GXHT3L_Dat_To_Float(recv_dat, &temperature, &humidity)==0){printf("temperature = %f, humidity = %f\n", temperature, humidity);}else{printf("crc check fail.\n");}}else{printf("read data from GXHT3L fail.\n");}}/* USER CODE END 3 *//* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);return ch;
}
/* USER CODE END 4 */

最终工程，可以参考淘宝旺旺发送的源码部分哦