《STM32H7R7开发指南》第三十六章 IIC实验

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第三十六章 IIC实验

本章，我们将介绍如何使用STM32H7R7的普通IO口模拟IIC时序，并实现和24C02之间的双向通信，并把结果显示在TFTLCD模块上

本章分为如下几个小节：

36.1 IIC及24C02简介

36.2 硬件设计

36.3 程序设计

36.4 下载验证

36.1 IIC及24C02简介36.1.1 IIC简介

IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送。

IIC总线有如下特点：

①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。

②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。

③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。

④总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s 在快速模式下可达400kbit/s在高速模式下可达3.4Mbit/s。

⑤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。IIC总线挂载多个器件的示意图，如下图所示：

图36.1.1.1 IIC总线挂载多个器件

下面来学习IIC总线协议，IIC总线时序图如下所示：

图36.1.1.2 IIC总线时序图

为了便于大家更好的了解IIC协议，我们从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、数据传输以及空闲状态等6个方面讲解，大家需要对应图36.1.1.2的标号来理解。

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，总线就会处于被占用状态，准备数据传输。

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，总线就会处于空闲状态。

③ 应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，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。

了解这些知识后，下面介绍一下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。下面先看一下写操作通讯过程图，见图36.1.1.3所示：

图36.1.1.3 写操作通讯过程图

主机首先在IIC总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0(写操作)组成的8bit数据，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，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。注意：IIC总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

接着讲解一下IIC总线的读操作过程，先看一下读操作通讯过程图，见图36.1.1.4所示。

图36.1.1.4 读操作通讯过程图

主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1(读操作)组成的8bit数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址。 那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回8bit数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。

24C02的数据传输时序是基于IIC总线传输时序，下面讲解一下24C02的数据传输时序。

36.1.2 24C02简介

24C02是一个2K bit的串行EEPROM存储器，内部含有256个字节。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，芯片的引脚图如图36.1.2.1所示。

图36.1.2.1 24C02引脚图

上图中有一个WP，这个是写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写，我们的板子设计是把该引脚接地。每一个设备都有自己的设备地址，24C02也不例外，但是24C02的设备地址是包括不可编程部分和可编程部分，可编程部分是根据上图的硬件引脚A0、A1和A2所决定。设备地址最后一位用于设置数据的传输方向，即读操作/写操作，0是写操作，1是读操作，具体格式如下图36.1.2.2所示：

图36.1.2.2 24C02设备地址格式图

根据我们的板子设计，A0、A1和A2均接地处理，所以24C02设备的读操作地址为：0xA1；写操作地址为：0xA0。

在前面已经说过IIC总线的基本读写操作，那么我们就可以基于IIC总线的时序的上，理解24C02的数据传输时序。

下面把实验中到的数据传输时序讲解一下，分别是对24C02的写时序和读时序。24C02写时序图见图36.1.2.3所示：

图36.1.2.3 24C02写时序图

上图展示的主机向24C02写操作时序图，主机在IIC总线发送第1个字节的数据为24C02的设备地址0xA0，用于寻找总线上找到24C02，在获得24C02的应答信号之后，继续发送第2个字节数据，该字节数据是24C02的内存地址，再等到24C02的应答信号，主机继续发送第3字节数据，这里的数据即是写入在第2字节内存地址的数据。主机完成写操作后，可以发出停止信号，终止数据传输。

上面的写操作只能单字节写入到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，图36.1.2.4所示：

图36.1.2.4 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，提高了时效性。因为24C02每次只能写8bit数据，所以它的页大小也就是1字节。页写时序的操作方式跟上面的单字节写时序差不多，所以不作过多解释了。参考以上说明去理解页写时序。

说完两种写入方式之后，下面看一下图36.1.2.5关于24C02的读时序：

图36.1.2.5 24C02读时序图

24C02读取数据的过程是一个复合的时序，其中包含写时序和读时序。先看第一个通信过程，这里是写时序，起始信号产生后，主机发送24C02设备地址0xA0，获取从机应答信号后，接着发送需要读取的内存地址；在读时序中，起始信号产生后，主机发送24C02设备地址0xA1，获取从机应答信号后，接着从机返回刚刚在写时序中内存地址的数据，以字节为单位传输在总线上，假如主机获取数据后返回的是应答信号，那么从机会一直传输数据，当主机发出的是非应答信号并以停止信号发出为结束，从机就会结束传输。

以上的时序的发生基于软件IIC的实现，不用硬件IIC实现，虽然STM32H7R7带有IIC总线接口，但是ST把硬件IIC设计得非常复杂，所以使用起来很不方便，所以我们采用软件模拟。

36.2 硬件设计1. 例程功能

每按下KEY_UP，MCU通过IIC总线向24C02写入数据，通过按下KEY1来控制24C02读取数据。同时在LCD上面显示相关信息。LED0闪烁用于提示程序正在运行。

2. 硬件资源

1）LED灯

     LED0 : LED0 – PD14

2）串口1(PB14/PB15连接在板载USB转串口芯片CH340上面)

3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(包括MCU屏和RGB屏,都支持)

4）独立按键

KEY0  - PE9

        KEY1  - PE8

5）24C02

IIC_SCL – PF1

        IIC_SDA – PF0

3. 原理图

我们主要来看看24C02和开发板的连接，如下图所示：

图36.2.1 24C02与开发板连接示意图

24C02的SCL和SDA分别连接在STM32的PF1和PF0上。本实验通过软件模拟IIC信号建立起与24C02的通信，进行数据发送与接收，使用按键KEY0和KEY1去触发，LCD屏幕进行显示。

36.3 程序设计

IIC实验中使用的是软件模拟IIC，所以用到的是HAL中GPIO相关函数，前面也有介绍到，这里就不做展开了。下面介绍一下使用IIC传输数据的配置步骤：

使用IIC传输数据的配置步骤

1）使能IIC的SCL和SDA对应的GPIO时钟。

本实验中IIC使用的SCL和SDA分别是PF1和PF0，因此需要先使能GPIOF的时钟，代码如下：

__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

2）设置对应GPIO工作模式（SCL推挽输出 SDA开漏输出）

SDA线的GPIO模式使用开漏输出模式（硬件已接外部上拉电阻，也可以用内部的上拉电阻），而SCL线的GPIO模式使用推挽输出模式，通过函数HAL_GPIO_Init设置实现。

3）参考IIC总线协议，编写信号函数（起始信号，停止信号，应答信号）

起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变。

停止信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变。

应答信号：接收到IC数据后，向IC发出特定的低电平脉冲表示已接收到数据。

4）编写IIC的读写函数

通过参考时序图，在一个时钟周期内发送1bit数据或者读取1bit数据。读写函数均以一字节数据进行操作。

有了读和写函数，我们就可以对外设进行驱动了。

36.3.1 程序解析

本实验中，我们通过GPIO使用软件来模拟IIC，所以不需要用到HAL库的IIC驱动源码。在工程文件中，我们新增了myiic.c存放iic底层驱动代码，24cxx.c文件夹存放24C02驱动。

1. IIC底层驱动代码

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。IIC驱动源码包括两个文件：myiic.c和myiic.h。

下面我们直接介绍IIC相关的程序，首先先介绍 myiic.h文件，其定义如下：

/* 引脚 定义 */

#define IIC_SCL_GPIO_PORT               GPIOF

#define IIC_SCL_GPIO_PIN                GPIO_PIN_1

#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PF口时钟使能 */

#define IIC_SDA_GPIO_PORT               GPIOF

#define IIC_SDA_GPIO_PIN                GPIO_PIN_0

#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PF口时钟使能 */

/* IO操作 */

#define IIC_SCL(x)        do{ x ? \

    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \

    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \

                          }while(0)       /* SCL */

#define IIC_SDA(x)        do{ x ? \

    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \

    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \

                          }while(0)       /* SDA */

#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN)        /* 读取SDA */

我们通过宏定义标识符的方式去定义SCL和SDA两个引脚，同时通过宏定义的方式定义了IIC_SCL() 和IIC_SDA()设置这两个管脚可以输出0或者1，主要还是通过HAL库的GPIO操作函数实现的。另外方便在iic操作函数中调用读取SDA管脚的数据，这里直接宏定义IIC_READ_SDA实现，在后面iic模拟信号实现中会频繁调用。

接下来我们看一下myiic.c代码中的初始化函数，代码如下：

/**

* @brief   初始化IIC

* @param   无

* @retval  无

*/

void iic_init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};

    /* 时钟使能 */

    IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();

    IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

    /* 配置SCL引脚 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;

    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;

    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

    HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);

    /* 配置SDA引脚 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;

    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;

    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;

    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);

    iic_stop();

}

在iic_init函数中主要工作就是对于GPIO的初始化，用于iic通信，不过这里需要注意的一点是SDA线的GPIO模式要使用开漏模式，特别注意：假如是STM32H7R7必须外接上拉电阻！

接下来介绍在上面已经在文字上说明过的IIC模拟信号：起始信号、停止信号、应答信号，下面以代码方法实现，大家可以对着图去看代码，有利于理解。

/**

* @brief       IIC延时函数,用于控制IIC读写速度

* @param       无

* @retval      无

*/

static void iic_delay(void)

{

    delay_us(2);  

}

/**

* @brief       产生IIC起始信号

* @param       无

* @retval      无

*/

void iic_start(void)

{

    IIC_SDA(1);

    IIC_SCL(1);

    iic_delay();

    IIC_SDA(0);     /* START信号: 当SCL为高时, SDA从高变成低, 表示起始信号 */

    iic_delay();

    IIC_SCL(0);     /* 钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */

    iic_delay();

}

/**

* @brief       产生IIC停止信号

* @param       无

* @retval      无

*/

void iic_stop(void)

{

    IIC_SDA(0);     /* STOP信号: 当SCL为高时, SDA从低变成高, 表示停止信号 */

    iic_delay();

    IIC_SCL(1);

    iic_delay();

    IIC_SDA(1);     /* 发送I2C总线结束信号 */

    iic_delay();

}

在这里首先定义一个iic_delay函数，目的就是控制IIC的读写速度，通过示波器检测读写速度在250KHz内，所以一秒钟传送500Kb数据，换算一下即一个bit位需要2us，在这个延时时间内可以让器件进行获得一个稳定性的数据采集。

为了大家更加清晰了解代码实现的过程，下面单独把起始信号和停止信号从iic总线时序图中抽取出来，如图36.3.2.1所示：

图36.3.2.1 起始信号与停止信号图

iic_start函数中，通过调用myiic.h中通过宏定义好的可以输出高低电平的SCL和SDA来模拟iic总线中起始信号的发送，在SCL时钟线为高电平的时候，SDA数据线从高电平状态转化到低电平状态，最后拉低时钟线，准备发送或者接收数据。

iic_stop函数中，也是按着模拟iic总线中停止信号的逻辑，在SCL时钟线为高电平的时候，SDA数据线从低电平状态转化到高电平状态。

接下来讲解一下iic的发送函数，其定义如下：

/**

* @brief      IIC发送一个字节

* @param       data: 要发送的数据

* @retval      无

*/

void iic_send_byte(uint8_t data)

{

    uint8_t t;

    for (t = 0; t < 8; t++)

    {

        IIC_SDA((data & 0x80) >> 7);     /* 高位先发送 */

        iic_delay();

        IIC_SCL(1);

        iic_delay();

        IIC_SCL(0);

        data <<= 1;           /* 左移1位,用于下一次发送 */

    }

    IIC_SDA(1);               /* 发送完成, 主机释放SDA线 */

}

在iic的发送函数iic_send_byte中，我们把需要发送的数据作为形参，形参大小为1个字节。在iic总线传输中，一个时钟信号就发送一个bit，所以该函数需要循环八次，模拟八个时钟信号，才能把形参的8个位数据都发送出去。这里使用的是形参data和0x80与运算的方式，判断其最高位的逻辑值，假如为1即需要控制SDA输出高电平，否则为0控制SDA输出低电平。为了更好说明，数据发送的过程，单独拿出数据传输时序图，见图36.3.2.2。

图36.3.2.2数据传输时序图