总线一:I2C简介(介绍看这一篇就够啦)

2023-12-13 04:15:44

本节主要介绍以下内容:

I2C协议简介

STM32I2C特性及架构

I2C初始化结构体详解

一、I2C协议简介

I2C 通讯协议(InterIntegrated Circuit)是由Phiilps公司开发的,由于它引脚少,硬件实现简单,可扩展性强,不需要USARTCAN等通讯协议的外部收发设备,现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

1.1 I2C物理层的特点

(上图上拉电阻一般为4.7KΩ)?

  • 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中,可连接多个I2C通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。
  • 一个I2C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,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,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由哪个设备占用总线。
  • 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 3.4Mbit/s,但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。(常用的是400kbit/s)
  • 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制? (最多挂载127个从机)

1.2 I2C的协议层

1. 2.1? 12C基本读写过程

?I2C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。

????????主机数据到从机

????????主机由从机中数据:

?????????通讯复合格式:

1..2.2?通讯的起始和停止信号

? SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换,这个情况表示通讯的起始。
? SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换,表示通讯的停止。
? 起始和停止信号一般由主机产生。

1.2.3 数据的有效性

I2C使用SDA信号线来传输数据,使用SCL信号线进行数据同步。 SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

  • SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效,即此时的SDA为高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”。
  • SCL为低电平时,SDA的数据无效,一般在这个时候SDA进行电平切换,为下一次表示数据做好准备。

1.24?地址及数据方向

  • ?I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址,主机发起通讯时,通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。设备地址可以是7位或10
  • 紧跟设备地址的一个数据位R/W用来表示数据传输方向数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据,该位为“0”时表示主机向从机写数据。总结:读1 写0

1.2.5.响应?

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

传输时主机产生时钟,在第9个时钟时,数据发送端会释放SDA的控制权,由数据接收端控制SDA,若SDA为高电平,表示非应答信号(NACK),低电平表示应答信号(ACK)

二、STM32I2C特性及架构

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。

硬件实现协议:由STM32I2C片上外设专门负责实现I2C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I2C协议的方式减轻了CPU的工作,且使软件设计更加简单。

STM32I2C外设可用作通讯的主机及从机,支持100Kbit/s400Kbit/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。

2.1 STM32I2C架构剖析

?2.1.1.通讯引脚

STM32芯片有多个I2C外设,它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上,使用时必须配置到这些指定的引脚,以《STM32F10x规格书为准。

引脚

I2C编号

I2C1

I2C2

SCL

PB5/PB8(重映射)

PB10

SDA

PB6/PB9(重映射)

PB11

2.1.2.时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号,由I2C接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制,控制的参数主要为时钟频率。

  • 可选择I2C通讯的“标准/快速”模式,这两个模式分别I2C对应100/400Kbit/s的通讯速率。
  • 在快速模式下可选择SCL时钟的占空比,可选Tlow/Thigh=2Tlow/Thigh=16/9模式。

(亲测好像没什么区别,在程序里面用2:1 跟16:9好像没什么区别,不知道设计这块的原因)

  • CCR寄存器中12位的配置因子CCR,它与I2C外设的输入时钟源共同作用,产生SCL时钟STM32I2C外设输入时钟源为PCLK1

2.1.3.数据控制逻辑

I2CSDA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;
  • 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。

2.2 STM32I2C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(SR1SR2)”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。

2.2.1.主发送器通讯过程

主发送器通讯过程

?可使用STM32标准库函数来直接检测这些事件的复合标志,降低编程难度。

  • I2C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,I2C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位被置1,重复这个过程,可以发送多个字节数据;
  • 发送数据完成后,控制I2C设备产生一个停止信号(P),这个时候会产生EV2事件,SR1TXE位及BTF位都被置1,表示通讯结束。
2.2.2.主接收器通讯过程

  • 起始信号(S)是由主机端产生的,控制发生起始信号后,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送;
  • 发送设备地址并等待应答信号,若有从机应答,则产生事件“EV6”这时SR1寄存器的“ADDR”位被置1,表示地址已经发送。
  • 从机端接收到地址后,开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后,会产生“EV7”事件,SR1寄存器的RXNE被置1,表示接收数据寄存器非空,读取该寄存器后,可对数据寄存器清空,以便接收下一次数据。此时可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK),若应答,则重复以上步骤接收数据,若非应答,则停止传输;
  • 发送非应答信号后,产生停止信号(P),结束传输。

三、I2C初始化结构体详解

  • I2C_ClockSpeed?设置I2C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I2C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,这时除了通讯稍慢一点以外,不会对I2C的标准通讯造成其它影响。
  • I2C_Mode?选择I2C的使用方式,有I2C模式(I2C_Mode_I2C )SMBus主、从模式(I2C_Mode_SMBusHostI2C_Mode_SMBusDevice ) I2C不需要在此处区分主从模式,直接设置I2C_Mode_I2C即可。
  • 2C_DutyCycle设置I2CSCL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21 ( I2C_DutyCycle_2)169 (I2C_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STM32I2C设备自己的地址,每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址,作为主机也不例外。地址可设置为7位或10(受下I2C_AcknowledgeAddress成员决定),只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

  • I2C_Ack_Enable配置I2C应答是否使能,设置为使能则可以发送响应信号。一般配置为允许应答(I2C_Ack_Enable),这是绝大多数遵循I2C标准的设备的通讯要求,改为禁止应答(I2C_Ack_Disable)往往会导致通讯错误。

  • I2C_AcknowledgeAddress选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择,这个成员的配置也影响到I2C_OwnAddress1成员,只有这里设置成10位模式时,I2C_OwnAddress1才支持10位地址。

配置完这些结构体成员值,调用库函数I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

下一节我找个片子给大家介绍一下具体通过I2C怎么读写EEPROM!

其实?EEPROM读写还是比较容易的,还有一些温湿度传感器之类的通信协议都用的IIC,下节我为大家一一展开!

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_47730988/article/details/134949617
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