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IIC协议简介
IIC通讯协议(Inter----Integrted Circuit)是由Phiips飞利浦公司开发的,由于他引脚少,硬件实现简单,可拓展性强,不需要UASRT,CAN通讯协议的外部收发设备,现在被广泛使用在系统内多个集成电路IC(芯片)间的通讯。 半双工的通讯方式 IIC总线系统结构 他是一个支持多设备的总线。”总线”指多个设备共用的信号线,在一个IIC通讯总线中,可连接多个IIC通讯设备,支持多个通讯主机(单片机)及多个通讯从机(连接IIC总线的外围设备)。 一个IIC总线只使用两条总线线路,一条双向串行数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据,时钟线用于数据收发同步。 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备直接的访问。 IIC总线物理层特点 总线通过上拉电阻接到电源。当IIC设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态,由上拉电阻把总线拉成高电平。 多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定哪个设备占用总线。 仲裁方式:简单理解就优先级 具有三种传输模式:标准模式传输速率为100kbit/s,快速模式为400kbit/s,高速模式下可达3.4M/s,但目前大多IIC设备尚不支持高速模式。 IIC总线 硬件IIC:对应芯片上的IIC外设,有相对应的IIC驱动电路,其所使用的IIC管教也是专用的; 软件IIC:一般是用GPIO管教,用软件控制管脚状态以及模拟IIC通信波形; 区别:硬件IIC的效率要远高于软件的,而软件IIC不受引脚限制,接口比较灵活。 软件IIC是通过GPIO,软件模拟寄存器的工作方式,而硬件IIC是直接调用内部寄存器进行配置。如果要从具体硬件上来看,可以去看下芯片手册。因为固件IIC的端口是固定的,所以会有所区别。 如何区分? 1.硬件IIC用法复杂,模拟IIC流程更加清楚 2.硬件IIC速度比模拟快,并且可以用DMA 3.模拟IIC可以在任何管脚上,硬件IIC在固定管脚上 IIC总线协议层 IIC的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。 IIC基本读写过程 白底加斜线主机,纯白从机 主机写数据到从机 S:数据由主机传输至从机 P:数据传输结束 SLAVE ADDRESS : 从机地址 起始信号产生后,所有从机就开始紧接下来广播的从机地址信号。IIC总线,每个设备的地址都是唯一的,当主机广播的地址与某个设备的地址相同时,这个设备就被选中了,没被选中的设备讲会忽略之后的数据信号。根据IIC协议,这个从机地址可以是7位或10位。 R/W:地址位之后,传输方向选择位,为0:表示数据传输方向是由主机传输至从机,即主机向从机写数据。为1:则相反。从机接收传输方向选择位后,主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答 A/A:(NACK)信号,只有接收到应答信号后,主机才能继续发送或接收数据。 主机读数据到从机 读数据: 配置方向传输位为”读数据”方向。广播完地址后,接收到应答信号后,从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为8位,从机每发送完一个数,都会等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以返回N个数据,N没有限制大小。当主机希望停止接收数据时,就向从机返回一个非应答信号(NCAK),则从机自动停止数据传输。 通讯复合格式 复合格式,该传输过程有两次起始信号(S),在第一次传输过程中,主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后,发送一段”数据”,这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址;第二次传输中,对该地址的内容进行读或写。也就是说,第一次通讯是告诉从机读写地址,第二次则是读写的实际内容。 IIC通信 空闲状态 IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时,规定位总线的空闲状态。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。 开始信号 起始信号:当SCL为高电平期间,SDA有高到低的跳变;启动信号是一种电平跳变时序信号,而不是一个电平信号。 停止信号 停止信号:当SCL为高电平期间,SDA由低到高的跳变;停止信号也是一种高电平跳变时序信号,而不是一个电平信号 起始信号和停止信号一般由主机产生 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。 对于反馈有效应答位ACK的要求是,接收器在第九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。 如果接收器是主控器,则在它收到最后一个字节后,发送一个NACK信号,以通知被控发送器数据发送,并释放SDA线,以便主控接收器发送一个停止信号P。 数据的有效性 IIC总线进行数据传输时,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。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。 即: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 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。 STM32的IIC特性及架构 ①软件模拟协议:使用CPU直接控制通讯引脚的电平,产生出符合通讯协议标准的逻辑。 ②硬件实现协议:由STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议,只要配置好该外设,它就会自动根据协议要求产生通讯信号,收发数据并缓存起来,CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器,就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了CPU的工作,且使软件设计更加简单。 STM32的IIC外设可用作通讯的主机及从机,支持100Kbit/s和400Kbits/s的速率,支持7位、10位设备地址,支持DMA数据传输,并具有数据校验功能。 通讯引脚 STM32芯片有多个IIC外设,它们的IIC通讯信号引出到不同的GPIO引脚上,使用时必须配置这些指定的引脚。 时钟控制逻辑 SCL线的时钟信号,由IIC接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制,控制的参数主要位时钟频率。 可选择IIC通讯的“标准/快速”模式,这两个模式分别对应100/400Kbits/s的通讯速率。 在快速模式下可选择SCL时钟的占空比,可选T(low)/T(high) = 2或T(low)/T(high)=16/9模式。 CCR寄存器中12位的配置因子CCR,它与IIC外设的输入时钟源共用作用,产生SCL时钟。STM32的IIC外设输入时钟源位PCKL1 计算时钟频率 标准模式 T high = CCR T pckl1 T low= CCRTpclk1 快速模式中 THigh/Tlow =2时: T high = CCRTpckl1 T low = 2lowTpckl1 快速模式中 THigh/Tlow =16/9时: T high = 9CCRTpckl1 T low = 16low*Tpckl1 PCLK1 = 36MHz,想要配置400Kbits/s 方法: PCLK时钟周期: TPCLK1 = 1/36 000 000 目标SCL时钟周期: TSCL = 1/400 000 SCL时钟周期内的高电平时间: Thigh = TSCL/3 SCL时钟周期内的低电平时间: Tlow = 2*TSCL/3 计算CCR的值 : CCR = THIGH/TPCLK1 = 30 计算出来的值写入到寄存器即可 数据控制逻辑 IIC的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上,数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。 当向外发送数据的时候,数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源,把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去。 那这一位一位的发送是低位先行还是高位先行? 答:由SMBA控制,一般来说都是高位先行 当从外部接收数据的时候,数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到”数据寄存器”中。 整体控制逻辑 四个小标题分别对应前面的图四个部分 STM32的IIC的通讯过程 使用IIC外设通讯时,在通讯的不同阶段它会对”状态寄存器(SR1和SR2)”的不同数据位写入参数,通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。 主发送器 控制产生起始信号(S),当发生起始信号后,它产生事件”EV5”,并会对SR1寄存器的 SB 位置1,表示起始信号已经发生。 发生设备地址并等待应答信号,若有从机应答,则产生时间 EV6 及 EV8 ,这时SR1寄存器的 ADDR位及 TXE位被置1,ADDR位1 表示地址已经发送,TEX表示数据寄存器为空。 主发送器通讯过程 往IIC的数据寄存器DR写入要发送的数据,这时TXE位会被重置0,表示数据寄存器非空,IIC外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后,又会产生EV8事件,即TXE被置1,重复这个过程,可发送多个字节。 发送数据完成后,控制IIC设备产生一个停止信号P,这个时候产生EV2事件,SR1的TEX位及BTF位被置1,表示通讯结束。 STM32的IIC结构体 typedef struct { uint32_t I2C_ClockSpeed; //设置SCL时钟频率,此值要低于400 000 uint16_t I2C_Mode; //指定工作模式,可选IIC模式及SMBUS模式 uint16_t I2C_DutyCycle; //时钟占空比,可选low/high = 2:0或16:9 uint16_t I2C_OwnAddress1; //自身的IIC设备地址 uint16_t I2C_Ack; //使能或者关闭响应,一般是使能 uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度,可为7或10 }I2C_InitTypeDef; I2C_ClockSpeed 设置IIC的传输速率,在调用初始化函数时,函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到IIC的时钟控制寄存器CCR。而我们写入的这个参数值不得高于400Khz. 实际上由于CCR寄存器不能写入小数类型的时钟因子,影响到SCL的实际频率可能会低于本成员设置的参数值,这时除了通讯会稍微慢点以外,不会对IIC的标准通讯造成其他影响。 I2C_Mode 选择IIC的使用方式,有IIC模式(IIC_Mode_IIC)和SMBus主、从模式(IIC_Mode_SMBusHost、IIC_Mode_SMBusDevice) IIC不需要在此处区分主从模式,直接设置IIC_Mode_IICj即可 I2C_DutyCycle 设置IIC的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择,分别为低电平时间比高电平时间为2:1(IIC_DutyCycle_2)和16:9(IIC_DutyCycle_16_9). 其实这两个模式的比例差别并不大,一般要求都不会如此严格,这里随便选就可以了。 I2C_OwnAddress1 配置STM32的IIC设备自己的地址,每个连接到IIC总线上的设备都有一个自己的地址,作为主机也不例外。地址可以设置为7位或10位(受下面IIC_AcknowledgeAddress成员决定),只要该地址是IIC总线上唯一的即可。 STM32的IIC外设可同时使用两个地址,即同时对两个地址作出响应,这个结构体成员IIC_OwnAddress1配置的是默认的,OAR1寄存器存储的地址,若需要设置第二个地址寄存器OAR2,可使用 IIC_OwmAddress2Conig函数来配置,OAR2不支持10位地址。 I2C_Ack 配置IIC应答是否使能,设置位使能则可以发送响应信号,一般配置位允许应答(IIC_Ack_Enable),这是绝大多数遵循IIC标准的设备的通讯要求,改为禁止应答(IIC_Ack_Disable)往往会导致通讯错误。 I2C_AcknowledgedAddress 选择IIC的寻址模式是7位或者是10位地址,这需要根据实际连接到IIC总线上设备的地址进行选择,这个成员的配置也影响到IIC_OwnAddress成员,只有这里设置成10位模式时,IIC_OwnAddress1才支持10位地址1 配置完这些结构体成员的值,调用库函数IIC_Init就可以把结构体的配置写入到对应的寄存器中了。 |
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只有小组成员才能发言,加入小组>>
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