梳理STM32F429之通信传输部分---NO.6 软件IIC

一、STM32 的 I2C 特性及架构：

1、STM32 的 I2C 外设简介：

       STM32 的 I2C 外设可用作通讯的主机及从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/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。它的 I2C 外设还支持 SMBus2.0 协议， SMBus 协议与 I2C 类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus20》文档了解。

2、STM32 的 I2C 通讯引脚：

3、通讯过程：

       使用 I2C 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及 SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

① 主发送器
作为 I2C 通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。

② 主接收器：
作为 I2C 通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见下图：

二、软件IIC的引脚初始化及IIC配置：

 ① 软件IIC的引脚初始化

#ifndef _BSP_I2C_GPIO_H
#define _BSP_I2C_GPIO_H

#include "stm32f4xx.h"
#include <inttypes.h>


#define EEPROM_I2C_WR	0		/* 写控制bit */
#define EEPROM_I2C_RD	1		/* 读控制bit */


/* 定义I2C总线连接的GPIO端口, 用户只需要修改下面4行代码即可任意改变SCL和SDA的引脚 */
#define EEPROM_I2C_GPIO_PORT            GPIOB			/* GPIO端口 */
#define EEPROM_I2C_GPIO_CLK			    RCC_AHB1Periph_GPIOB		/* GPIO端口时钟 */
#define EEPROM_I2C_SCL_PIN			    GPIO_Pin_6			/* 连接到SCL时钟线的GPIO */
#define EEPROM_I2C_SDA_PIN			    GPIO_Pin_7			/* 连接到SDA数据线的GPIO */


/* 定义读写SCL和SDA的宏，已增加代码的可移植性和可阅读性 */
	#define EEPROM_I2C_SCL_1()  GPIO_SetBits(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, EEPROM_I2C_SCL_PIN)		/* SCL = 1 */
	#define EEPROM_I2C_SCL_0()  GPIO_ResetBits(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, EEPROM_I2C_SCL_PIN)		/* SCL = 0 */
	
	#define EEPROM_I2C_SDA_1()  GPIO_SetBits(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, EEPROM_I2C_SDA_PIN)		/* SDA = 1 */
	#define EEPROM_I2C_SDA_0()  GPIO_ResetBits(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, EEPROM_I2C_SDA_PIN)		/* SDA = 0 */
	
	#define EEPROM_I2C_SDA_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, EEPROM_I2C_SDA_PIN)	/* 读SDA口线状态 */


void i2c_Start(void);               // 开始信号
void i2c_Stop(void);                // 停止信号
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte); // 发送一字节
uint8_t i2c_ReadByte(void);         // 读取数据
uint8_t i2c_WaitAck(void);          // 等待应答
void i2c_Ack(void);                 // 应答信号
void i2c_NAck(void);                // 非应答信号
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address);  // 检测I2C总线设备


#endif

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_CfgGpio
*	功能说明: 配置I2C总线的GPIO，采用模拟IO的方式实现
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void i2c_CfgGpio(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

	RCC_AHB1PeriphClockCmd(EEPROM_I2C_GPIO_CLK, ENABLE);	/* 打开GPIO时钟 */

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN | EEPROM_I2C_SDA_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;  	
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;  	/* 开漏输出 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
	GPIO_Init(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

	/* 给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式 */
	i2c_Stop();
}

② IIC的配置

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_Delay
*	功能说明: I2C总线位延迟，最快400KHz
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void i2c_Delay(void)
{
	uint8_t i;

	/*　
		可用逻辑分析仪测量I2C通讯时的频率
    工作条件：CPU主频180MHz ，MDK编译环境，1级优化
  
		经测试，循环次数为20~250时都能通讯正常

	*/
	for (i = 0; i < 30; i++);
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_Start
*	功能说明: CPU发起I2C总线启动信号
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Start(void)
{
	/* 当SCL高电平时，SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号 */
	EEPROM_I2C_SDA_1();
	EEPROM_I2C_SCL_1();
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SDA_0();
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_Start
*	功能说明: CPU发起I2C总线停止信号
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Stop(void)
{
	/* 当SCL高电平时，SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号 */
	EEPROM_I2C_SDA_0();
	EEPROM_I2C_SCL_1();
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SDA_1();
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_SendByte
*	功能说明: CPU向I2C总线设备发送8bit数据
*	形    参：_ucByte ： 等待发送的字节
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
	uint8_t i;

	/* 先发送字节的高位bit7 */
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{		
		if (_ucByte & 0x80)
		{
			EEPROM_I2C_SDA_1();
		}
		else
		{
			EEPROM_I2C_SDA_0();
		}
		i2c_Delay();
		EEPROM_I2C_SCL_1();
		i2c_Delay();	
		EEPROM_I2C_SCL_0();
		if (i == 7)
		{
			 EEPROM_I2C_SDA_1(); // 释放总线
		}
		_ucByte <<= 1;	/* 左移一个bit */
		i2c_Delay();
	}
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_ReadByte
*	功能说明: CPU从I2C总线设备读取8bit数据
*	形    参：无
*	返 回 值: 读到的数据
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
	uint8_t i;
	uint8_t value;

	/* 读到第1个bit为数据的bit7 */
	value = 0;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		value <<= 1;
		EEPROM_I2C_SCL_1();
		i2c_Delay();
		if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
		{
			value++;
		}
		EEPROM_I2C_SCL_0();
		i2c_Delay();
	}
	return value;
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_WaitAck
*	功能说明: CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
*	形    参：无
*	返 回 值: 返回0表示正确应答，1表示无器件响应
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
	uint8_t re;

	EEPROM_I2C_SDA_1();	/* CPU释放SDA总线 */
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_1();	/* CPU驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
	i2c_Delay();
	if (EEPROM_I2C_SDA_READ())	/* CPU读取SDA口线状态 */
	{
		re = 1;
	}
	else
	{
		re = 0;
	}
	EEPROM_I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
	return re;
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_Ack
*	功能说明: CPU产生一个ACK信号
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Ack(void)
{
	EEPROM_I2C_SDA_0();	/* CPU驱动SDA = 0 */
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_1();	/* CPU产生1个时钟 */
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SDA_1();	/* CPU释放SDA总线 */
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_NAck
*	功能说明: CPU产生1个NACK信号
*	形    参：无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_NAck(void)
{
	EEPROM_I2C_SDA_1();	/* CPU驱动SDA = 1 */
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_1();	/* CPU产生1个时钟 */
	i2c_Delay();
	EEPROM_I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();	
}



/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: i2c_CheckDevice
*	功能说明: 检测I2C总线设备，CPU向发送设备地址，然后读取设备应答来判断该设备是否存在
*	形    参：_Address：设备的I2C总线地址
*	返 回 值: 返回值 0 表示正确， 返回1表示未探测到
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address)
{
	uint8_t ucAck;

	i2c_CfgGpio();		/* 配置GPIO */

	
	i2c_Start();		/* 发送启动信号 */

	/* 发送设备地址+读写控制bit（0 = w， 1 = r) bit7 先传 */
	i2c_SendByte(_Address | EEPROM_I2C_WR);
	ucAck = i2c_WaitAck();	/* 检测设备的ACK应答 */

	i2c_Stop();			/* 发送停止信号 */

	return ucAck;
}

三、利用IIC写EEPROM的读写函数：

#ifndef __I2C_EE_H
#define	__I2C_EE_H


#include "stm32f4xx.h"


/* 
 * AT24C02 2kb = 2048bit = 2048/8 B = 256 B
 * 32 pages of 8 bytes each
 *
 * Device Address
 * 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
 * 1 0 1 0 0  0  0  0 = 0XA0
 * 1 0 1 0 0  0  0  1 = 0XA1 
 */

/* AT24C01/02每页有8个字节 
 * AT24C04/08A/16A每页有16个字节 
 */
	

#define EEPROM_DEV_ADDR			0xA0		/* 24xx02的设备地址 */
#define EEPROM_PAGE_SIZE		  8			  /* 24xx02的页面大小 */
#define EEPROM_SIZE				  256			  /* 24xx02总容量 */


uint8_t ee_CheckOk(void);                                                           // 串行EERPOM是否正常
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);    // 从串行EEPROM指定地址处开始读取若干数据
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize);  // 向串行EEPROM指定地址写入若干数据
void ee_Erase(void);                                                                // 擦除函数


#endif /* __I2C_EE_H */

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: ee_CheckOk
*	功能说明: 判断串行EERPOM是否正常
*	形    参：无
*	返 回 值: 1 表示正常， 0 表示不正常
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_CheckOk(void)
{
	if (i2c_CheckDevice(EEPROM_DEV_ADDR) == 0)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		/* 失败后，切记发送I2C总线停止信号 */
		i2c_Stop();		
		return 0;
	}
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: ee_ReadBytes
*	功能说明: 从串行EEPROM指定地址处开始读取若干数据
*	形    参：_usAddress : 起始地址
*			 _usSize : 数据长度，单位为字节
*			 _pReadBuf : 存放读到的数据的缓冲区指针
*	返 回 值: 0 表示失败，1表示成功
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
	uint16_t i;
	
	/* 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 */
	
	/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
	i2c_Start();
	
	/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
	i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);	/* 此处是写指令 */
	 
	/* 第3步：等待ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}

	/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
	i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress);
	
	/* 第5步：等待ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}
	
	/* 第6步：重新启动I2C总线。前面的代码的目的向EEPROM传送地址，下面开始读取数据 */
	i2c_Start();
	
	/* 第7步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
	i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_RD);	/* 此处是读指令 */
	
	/* 第8步：发送ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}	
	
	/* 第9步：循环读取数据 */
	for (i = 0; i < _usSize; i++)
	{
		_pReadBuf[i] = i2c_ReadByte();	/* 读1个字节 */
		
		/* 每读完1个字节后，需要发送Ack， 最后一个字节不需要Ack，发Nack */
		if (i != _usSize - 1)
		{
			i2c_Ack();	/* 中间字节读完后，CPU产生ACK信号(驱动SDA = 0) */
		}
		else
		{
			i2c_NAck();	/* 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) */
		}
	}
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 1;	/* 执行成功 */

cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 0;
}

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: ee_WriteBytes
*	功能说明: 向串行EEPROM指定地址写入若干数据，采用页写操作提高写入效率
*	形    参：_usAddress : 起始地址
*			 _usSize : 数据长度，单位为字节
*			 _pWriteBuf : 存放读到的数据的缓冲区指针
*	返 回 值: 0 表示失败，1表示成功
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
	uint16_t i,m;
	uint16_t usAddr;
	
	/* 
		写串行EEPROM不像读操作可以连续读取很多字节，每次写操作只能在同一个page。
		对于24xx02，page size = 8
		简单的处理方法为：按字节写操作模式，没写1个字节，都发送地址
		为了提高连续写的效率: 本函数采用page wirte操作。
	*/

	usAddr = _usAddress;	
	for (i = 0; i < _usSize; i++)
	{
		/* 当发送第1个字节或是页面首地址时，需要重新发起启动信号和地址 */
		if ((i == 0) || (usAddr & (EEPROM_PAGE_SIZE - 1)) == 0)
		{
			/*　第０步：发停止信号，启动内部写操作　*/
			i2c_Stop();
			
			/* 通过检查器件应答的方式，判断内部写操作是否完成, 一般小于 10ms 			
				CLK频率为200KHz时，查询次数为30次左右
			*/
			for (m = 0; m < 1000; m++)
			{				
				/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
				i2c_Start();
				
				/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
				i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);	/* 此处是写指令 */
				
				/* 第3步：发送一个时钟，判断器件是否正确应答 */
				if (i2c_WaitAck() == 0)
				{
					break;
				}
			}
			if (m  == 1000)
			{
				goto cmd_fail;	/* EEPROM器件写超时 */
			}
		
			/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
			i2c_SendByte((uint8_t)usAddr);
			
			/* 第5步：等待ACK */
			if (i2c_WaitAck() != 0)
			{
				goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
			}
		}
	
		/* 第6步：开始写入数据 */
		i2c_SendByte(_pWriteBuf[i]);
	
		/* 第7步：发送ACK */
		if (i2c_WaitAck() != 0)
		{
			goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
		}

		usAddr++;	/* 地址增1 */		
	}
	
	/* 命令执行成功，发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 1;

cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 0;
}


void ee_Erase(void)
{
	uint16_t i;
	uint8_t buf[EEPROM_SIZE];
	
	/* 填充缓冲区 */
	for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
	{
		buf[i] = 0xFF;
	}
	
	/* 写EEPROM, 起始地址 = 0，数据长度为 256 */
	if (ee_WriteBytes(buf, 0, EEPROM_SIZE) == 0)
	{
		printf("擦除eeprom出错！\r\n");
		return;
	}
	else
	{
		printf("擦除eeprom成功！\r\n");
	}
}


/*--------------------------------------------------------------------------------------------------*/
static void ee_Delay(__IO uint32_t nCount)	 //简单的延时函数
{
	for(; nCount != 0; nCount--);
}