从物理层和协议层两方面来了解I2C总线

I2C总线

  1. 简介

  1.1 I2C总线介绍

  I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由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。是由数据线SDA和时钟线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，高速I2C总线一般可达400kbps以上。下面从物理层和协议层两方面来了解I2C
  

• I2C物理层：可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机和从机；每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机利用这个地址进行不同设备之间的访问；总线通过上拉电阻接到电源，当I2C设备空闲时会输出高阻态；多主机同时使用总线时，利用仲裁方式觉得由哪个设备占用总线；有三种传输模式，标准模式（100kbit/s）、快速模式（400kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s 多数I2C设备不支持）；连接到相同总线的I2C数量受最大电容400pF限制
  
  

  
  

  

  

• I2C协议层：I2C总线在传送数据的过程中共有三种类型信号，在这些信号中，起始信号是必需的，结束和应答信号可以不要；I2C总线寻址按照从机地址可分为7位和10位（寻址字节）寻址两种，D7~D1位组成从机的地址，D0位是数据传送方向（0表示主机向从机写数据/1表示主机由从机读数据）
  
  

  

   

• 开始信号:SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据
  
• 结束信号:SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据
  
• 应答信号:接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若为收到应答性，判断为受控单元故障
  
  

  

  
  

  

  1.2 AT24C02芯片介绍

  AT24C02是一个2K位串行CMOS，内部含有256个字节，此芯片具有I2C通讯接口，芯片内保存的数据在掉电的情况下不丢失（EEPROM），常用于存放比较重要的数据。本实验使用的是SOP-8封装的AT24C02芯片，其引脚说明见下图
  
  

  

  AT24C02芯片的器件地址为7位，高4位固定为1010，低3位有上表中的A0/A1/A2引脚的电平决定，还有一位（最低位R/W）用来选择读写方向。本实验中A0/A1/A2引脚接在GND上了，因此器件地址为1010000；加上最低位的读写方向位后，写器件地址为10100000（0xA0），读器件地址为10100001（0xA1）
  
  

  

下图为AT24C02的总线时序图和时间参数
  
  

  


  

  

  2. 硬件设计

  D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP按键用来控制24C02的数据写入，K_DOWN按键用来控制24C02的数据读取，数据的写入与读取信息通过串口1打印出来
  

   

• D1指示灯
  
• K_UP和K_DOWN按键
  
• USART1
  
• AT24C02
  
  

  

  
  

  

  3. 软件设计

  3.1 STM32CubeMX设置

  

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
  
• PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
  
• USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位
  
• PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE3设置为GPIO输入模式、上拉模式
  
• 激活I2C2，选择标准传输模式，选择7位寻址地址，其余默认设置
  
  

  
  

  

  

• 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码
  
  

  3.2 MDK-ARM编程

  

• 在i2c.c文件下可以看到I2C初始化函数
  
  

void MX_I2C2_Init(void){
  hi2c2.Instance = I2C2;
  hi2c2.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c2.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c2.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c2.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c2.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c2.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c2.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c2.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c2) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
}


void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(i2cHandle->Instance==I2C2){
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    /**I2C2 GPIO Configuration   
    PB10     ------> I2C2_SCL
    PB11     ------> I2C2_SDA*/
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    /* I2C2 clock enable */
    __HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();        //网上看到很多资料说此处的I2C时钟初始化函数应该放在GPIO初始化之前，但是这里没有调整也能够正常读写EEPROM
  }
}


创建按键驱动文件key.c 和相关头文件key.h（驱动代码参考按键输入实验）
添加AT24C02驱动文件24cxx.c和24cxx.h
#define ADDR_24CXX_WRITE 0XA0
#define ADDR_24CXX_READ  0XA1
void AT24CXX_Init(void){
        MX_I2C2_Init();       
        while(AT24CXX_Check()){
                printf("AT24C02 Checked Failed!rn");
                HAL_Delay(500);
        }
        printf("AT24C02 Checked Sucessed!rn");
}


uint8_t AT24CXX_Check(void){
        uint8_t temp;
        HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2,ADDR_24CXX_READ,255,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&temp,1,0xff);                                  
        if(temp==0x36)       
                return 0;                  
        else{
                uint8_t data = 0x36;
                HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2,ADDR_24CXX_WRITE,255,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&data,1,0xff);
                HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2,ADDR_24CXX_READ,255,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&temp,1,0xff);          
                if(temp==0x36)       
                        return 0;
        }
        return 1;                                                                                          
}


在main.c文件下编写IIC测试代码
AT24C02的2Kbit分为32页，每页8个字节。而EEPROM也可以按页写入，本例使用了按页写入的方式，分32次写入。注意每次写入完毕需要延时5ms，是AT24C02芯片的要求；读取数据没有页的限制，可以一次全部读取256个字节


/* USER CODE BEGIN PV */
#define ADDR_24CXX_WRITE 0XA0
#define ADDR_24CXX_READ  0XA1
uint8_t WriteBuf[256];
uint8_t ReadBuf[256];
uint16_t i,j;
/* USER CODE END PV */
void SystemClock_Config(void);
int main(void){
  uint8_t key;
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  AT24CXX_Init(void);
  printf("rn*********STM32CubeMX I2C AT24C02 Example*********rn");
  for(i = 0;i < 256; i++){         //初始化写数据缓冲区
        WriteBuf = i;
  }
  /* USER CODE END 2 */
  while (1){
        key = KEY_Scan(0);
        if(key == KEY_UP_PRES){
                for(j = 0;j < 32;j++){        //按页写入EEPROM，分32次写入
                        if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2,ADDR_24CXX_WRITE,8*j,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,WriteBuf+8*j,8,0xFF) == HAL_OK){
                                printf("rnEEPROM 24C02 Write Test OK!rn");
                                HAL_Delay(5);
                        }
                        else{
                                printf("rnEEPROM 24C02 Write Test False!rn");
                                HAL_Delay(5);                                       
                        }
                }
        }
               
        if(key == KEY_DOWN_PRES){        //EEPROM读取没有页限制，可以一次读取256个字节
                HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2,ADDR_24CXX_READ,0,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,ReadBuf,256,0xFF);
                for(i=0;i<256;i++){
                        printf("0x%02X ",ReadBuf);
                }
                       
                if(memcmp(WriteBuf,ReadBuf,256) == 0){        //通过内存比较，判断读取和写入的数据是否相同
                        printf("rnEEPROM 24C02 Read Test OK!rn");
                }
                else{
                        printf("rnEEPROM 24C02 Read Test False!rn");
                }
        }
               
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
        HAL_Delay(500);
  }
}


4. 下载验证

  编译无误下载到开发板后，可以看到D1指示灯不断闪烁，当按下K_UP按键后数据写入到24C02芯片内，当按下K_DOWN按键后读取24C02芯片的值，同时串口打印出相应信息