细说STM32F407单片机IIC总线基础知识

目录

一、 I2C总线结构

1、I2C总线的特点

2、I2C总线通信协议

3、 STM32F407的I2C接口

二、 I2C的HAL驱动程序

1、 I2C接口的初始化

2、阻塞式数据传输

（1）函数HAL_I2C_IsDeviceReady()

（2）主设备发送和接收数据

（3）从设备发送和接收数据

（4）I2C存储器数据传输

3、中断方式数据传输

4、 DMA方式数据传输

5、其它

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        I2C(Inter-Integrated Circuit)接口，有时也写作IIC或I²C接口，是一种串行数字总线接口。I2C接口只有2根信号线，总线上可以连接多个设备，硬件实现简单，可扩展性强。I2C接口主要用于通信速率要求不高，以及多个器件之通信的应用场景。

        本文使用的开发板：旺宝红龙STM32F407ZGT6 KIT V1.0。

一、 I2C总线结构

        一个器件的I2C接口只有2根信号线，即双向串行数据线SDA和时钟信号线SCL。I2C是种多设备总线，一根I2C总线上可以挂载多个设备。

 

1、I2C总线的特点

• I2C总线只有两根信号线，SDA是双向串行数据线，SCL是时钟信号线，用于数据收发的同步。
• I2C总线上可以挂载多个设备，一般有一个主设备、多个从设备。MCU一般作为主设备，外围器件作为从设备。在I2C通信协议中，主动发起通信的器件就是主设备，被动进行响应的器件就是从设备。
• I2C总线上每个器件有一个7位或10位的地址，主设备发起通信时，会首先发送目标设备地址，只有地址对应的从设备才会做出响应。
• I2C总线的两根信号线有上拉电阻。当I2C器件空闲时，其输出接口是高阻态。当所有设备都空闲时，I2C总线上是高电平。
• I2C通信有标准模式和快速模式，标准模式传输速率为100kbit/s,快速模式传输速率为400kbit/s。

2、I2C总线通信协议

        I2C通信总是由主机启动，每个通信过程由起始信号开始，由停止信号结束。一个数据包有8位，每个数据包后有一个应答位(ACK)或非应答位(NACK)。例如，主设备向从设备发送1字节数据的时序图：

 

• 起始位：当SCL是高电平时，SDA的下跳沿就是起始位，是启动一次I2C通信的起始信号。
• 停止位：当SCL为高电平时，SDA的上跳沿就是停止位，是停止一次I2C通信的结束信号。
• 数据位：在SCL的一个时钟周期内传输一个数据位，当SCL为低电平时，发送设备更新SDA的电平，当SCL为高电平时，接收设备读取SDA的电平就是有效的一位数据。
• 数据包：I2C数据通信一个数据包总是8位，也就是1字节的数据。
• 应答信号：在发送完8位数据包后，发送设备在第9个SCL时钟周期采集接收设备的应答信号。若在SCL的第9个周期采集的SDA为低电平，就是应答信号ACK，如果采集的SDA是高电平，就是非应答信号NACK。

        在一次I2C通信过程中，可以传输多字节的数据。主机启动I2C通信后，发送的第一个字节是目标设备地址，后面再发送或接收的数据由具体器件的指令定义决定。I2C通信协议只是定义了基本的数据传输时序，并且通信时序由MCU的硬件I2C接口实现。

3、 STM32F407的I2C接口

        STM32F407芯片上有3个硬件I2C接口，记作I2C1、I2C2和I2C3,均支持I2C标准模式和I2C快速模式，还与系统管理总线(System Management Bus,SMBus)2.0兼容。STM32F407上的I2C接口具有如下特性。

• 同一个I2C接口既可以工作于主模式，又可以工作于从模式。
• 工作于从模式时，可以设置两个从设备地址，从而对两个从地址应答。
• 使用7位或10位设备地址，还可以进行广播呼叫。
• 支持不同的通信速度：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式传输速率为400kbit/s。
• 带DMA功能的1字节缓存。

二、 I2C的HAL驱动程序

        I2C的HAL驱动程序头文件是stm32f4xx_hal_i2c.h和stm32f4xx_hal_i2c_ex.h。I2C的HAL驱动程序包括宏定义、结构体定义、宏函数和功能函数。I2C的数据传输有阻塞式、中断方式和DMA方式。 

1、 I2C接口的初始化

        对I2C接口进行初始化配置的函数是HAL_I2C_Init()，其函数原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Init(I2C_HandleTypeDef *hi2c)

     其中，hi2c是I2C接口的对象指针，是I2C_HandleTypeDef结构体类型指针。在STM32CubeIDE自动生成的文件i2c.c中，会为启用的I2C接口定义外设对象变量，例如，为I2C1接口定义的变量如下：

I2C_HandleTypeDef hi2c1; //I2C1接口的外设对象变量

        结构体I2C_HandleTypeDef的成员变量主要是HAL程序内部用到的一些定义，只有成员变量Init是需要用户配置的I2C通信参数，是I2C_InitTypeDef结构体类型。

2、阻塞式数据传输

        阻塞式数据传输使用方便，且I2C接口的传输速率不高，一般传输数据量也不大，阻塞式传输是常用的数据传输方式。

函数名	功能描述
HAL_I2C_IsDeviceReady()	检查某个从设备是否准备好了I2C通信
HAL_I2C_Master_Transmit()	作为主设备向某个地址的从设备发送一定长度的数据
HAL_I2C_Master_Receive()	作为主设备从某个地址的从设备接收一定长度的数据
HAL_I2C_Slave_Transmit()	作为从设备发送一定长度的数据
HAL_I2C_Slave_Receive()	作为从设备接收一定长度的数据
HAL_I2C_Mem_Write()	向某个从设备的指定存储地址开始写入一定长度的数据
HAL_I2C_Mem_Read()	从某个从设备的指定存储地址开始读取一定长度的数据

（1）函数HAL_I2C_IsDeviceReady()

        函数HAL_I2C_IsDeviceReady()用于检查I2C网络上一个从设备是否做好了I2C通信准备，其函数原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_IsDeviceReady(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint32_t Trials,uint32_t Timeout);

        其中，hi2c是I2C接口对象指针，DevAddress是从设备地址，Trials是尝试的次数，Timeout是超时等待时间(单位是嘀嗒信号节拍数)，当SysTick定时器频率为默认的1000Hz时，Timeout的单位就是ms。

（2）主设备发送和接收数据

        一个I2C总线上有一个主设备，可能有多个从设备。主设备与从设备通信时，必须指定设备地址。I2C主设备发送和接收数据的两个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint8_t *pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout);HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint8_t *pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout);

        其中，pData是发送或接收数据的缓冲区，Size是缓冲区大小。DevAddress是从设备地址无论是发送还是接收，这个地址都要设置为I2C设备的写操作地址。Timeout为超时等待时间单位是嘀嗒信号节拍数。

        阻塞式操作函数在数据发送或接收完成后才返回，返回值为HAL_OK时表示传输成功，否则可能是出现错误或超时。

（3）从设备发送和接收数据

        I2C从设备发送和接收数据的两个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_slave_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint8_t *pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout);HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_slave_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint8_t *pData,uint16_t size,uint32_t Timeout)

        I2C从设备是应答式地响应主设备的传输要求，发送和接收数据的对象总是主设备，所以函数中无须设置目标设备地址。

（4）I2C存储器数据传输

        对于I2C接口的存储器，例如EEPROM芯片24C02，有两个专门的函数用于存储器数据读写。向存储器写入数据的函数是HAL_I2C_Mem_Write()，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef 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);

        其中，DevAddress是I2C从设备地址，MemAddress是存储器内部写入数据的起始地址，MemAddSize是存储器内部地址大小，即8位地址或16位地址，有两个宏定义表示存储器内部地址大小。

#define I2C_MEMADD_SIZE_8BIT 0x00000001U  //8位存储器地址
#define I2C_MEMADD_SIZE_16BIT 0x000000100 //16位存储器地址

        参数pData是待写入数据的缓冲区指针，Size是待写入数据的字节数，Timeout是超时等待时间。使用这个函数可以很方便地向I2C接口存储器一次性写入多字节的数据。从存储器读取数据的函数是HAL_I2C_Mem_Read)，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef 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);

        使用I2C存储器数据传输函数的好处是，可以一次性传递地址和数据，函数会根据存储器的I2C通信协议依次传输地址和数据，而不需要用户自己分解通信过程。

3、中断方式数据传输

        一个I2C接口有两个中断号，一个用于事件中断，另一个用于错误中断。HAL_I2C_EV_IRQHandler()是事件中断ISR中调用的通用处理函数，HAL_I2C_ER_IRQHandler()是错误中断ISR中调用的通用处理函数。

        I2C接口的中断方式数据传输函数，以及各个传输函数关联的回调函数如表：

函数名	函数功能描述	关联的回调函数
HAL_I2C_Master_Transmit_IT()	主设备向某个地址的从设备发送 一定长度的数据	HAL_I2C_MasterTxCpltCallback()
HAL_I2C_Master_Receive_IT()	主设备从某个地址的从设备接收 一定长度的数据	HAL_I2C_MasterRxCpltCallback()
HAL_I2C_Master_Abort_IT()	主设备主动中止中断传输过程	HAL_I2C_AbortCpltCallback()
HAL_I2C_Slave_Transmit_IT()	作为从设备发送一定长度的数据	HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback()
HAL_I2C_Slave_Receive_IT()	作为从设备接收一定长度的数据	HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback()
HAL_I2C_Mem_Write_IT()	向某个从设备的指定存储地址开 始写入一定长度的数据	HAL_I2C_MemTxCpltCallback()
HAL_I2C_Mem_Read_IT()	从某个从设备的指定存储地址开 始读取一定长度的数据	HAL_I2C_MemRxCpltCallback()
所有中断方式传输函数	中断方式传输过程出现错误	HAL_I2C_ErrorCallback()

        中断方式数据传输函数的参数定义与对应的阻塞式传输函数类似，只是没有超时等待参数Timeout。例如，以中断方式读写I2C接口存储器的两个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write_IT(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint16_t MemAddress,uint16_t MemAddSize,uint8_t *pData,uint16_t Size);HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read_IT(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,int16_t MemAddress,uint16_t MemAddSize,uint8_t *pData,uint16_t Size);

        中断方式数据传输是非阻塞式的，函数返回HAL_OK只是表示函数操作成功，并不表示数据传输完成，只有相关联的回调函数被调用时，才表示数据传输完成。

4、 DMA方式数据传输

        一个I2C接口有I2C_TX和I2C_RX两个DMA请求，可以为DMA请求配置DMA流，从而进行DMA方式数据传输。I2C接口的DMA方式数据传输函数，以及DMA流发生传输完成事件(DMA_IT_TC)中断时的回调函数如表：

函数名	函数功能描述	关联的回调函数
HAL_I2C_Master_Transmit_DMA()	向某个地址的从设备发送一 定长度的数据	HAL_I2C_MasterTxCpltCallback()
HAL_I2C_Master_Receive_DMA()	从某个地址的从设备接收一 定长度的数据	HAL_I2C_MasterRxCpltCallback()
HAL_I2C_Slave_Transmit_DMA()	作为从设备发送一定长度的 数据	HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback()
HAL_I2C_Slave_Receive_DMA()	作为从设备接收一定长度的 数据	HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback()
HAL_I2C_Mem_Write_DMA()	向某个从设备的指定存储地 址开始写入一定长度的数据	HAL_I2C_MemTxCpltCallback()
HAL_I2C_Mem_Read_DMA()	从某个从设备的指定存储地 址开始读取一定长度的数据	HAL_I2C_MemRxCpltCallback()

        DMA传输函数的参数形式与中断方式传输函数的参数形式相同，例如，以DMA方式读写I2C接口存储器的两个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write_DMA(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint16_t MemAddress,uint16_t MemAddSize,uint8_t *pData,uint16_t Size);HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read_DMA(I2C_HandleTypeDef *hi2c,uint16_t DevAddress,uint16_t MemAddress,uint16_t MemAddSize,uint8_t *pData,uint16_t Size);

        DMA传输是非阻塞式传输，函数返回HAL_OK时只表示函数操作完成，并不表示数据传输完成。DMA传输过程由DMA流产生中断事件，DMA流的中断函数指针指向I2C驱动程序中定义的一些回调函数。I2C的HAL驱动程序中并没有为DMA传输半完成中断事件设计和关联回调函数。

5、其它

        一个I2C从设备有两个地址，一个是写操作地址，另一个是读操作地址。例如开发板上的EEPROM芯片24C02的写操作地址是0xA0,读操作地址是0xA1,也就是在写操作地址上加1。在I2C的HAL驱动程序中，传递从设备地址参数时，只需设置写操作地址，函数内部会根据读写操作类型，自动使用写操作地址或读操作地址。但是在软件模拟I2C接口通信时，必须明确使用相应的地址。

        IIC总线判断高低电平；SPI总线判断边沿。