代码收藏家 STM32 CubeMX软件I2C实验与EEPROM使用理论和实验详解
第五章 stm32 cubemx 软件I2C实验以及EEPROM的使用理论及实验过程
目录
前言
本章将讲解stm32通讯协议中的IIC协议，利用cubeMX完成软件和硬件IIC的实现，并结合实验数据，给人更为深刻的体验。
我们结合IIC的具体协议和逻辑分析仪得到的具体实验数据理解IIC协议。
IIC概述
I2C通讯协议是由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USART、CAN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。
llC: Inter Integrated Circuit，集成电路总线，是一种同步串行半双工通信总线。其中同步说明这种通信方式需要时钟线；串行说明数据一位一位（一个字节8位即0000 0000）在一个数据线上朝一个方向发送；半双工说明一个时间只能进行接收或者发送；总线就是传输数据的通道，如果有多个设备想使用总线进行传输数据多个都需要挂载在总线上，注意在总线上可以有多个主机，多个从机；协议则是传输数据的规则，首先我们讲解该协议。
IIC物理层
如图所示，即位IIC的物理层，由图可明显看到所有的设备挂载在，两条l2C总线下，一条双向串行数据线(SDA)用来传递数据，一条串行时钟线(SCL)用于数据收发同步。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。
要点
IIC协议层
I2C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。接下来我们将逐个进行实验。
IIC读写概述
主机写入到从机的基本过程，如图所示。由主机发出起始信号表示开始通信，然后发送从机地址及数据传输方向，然后释放总线（总线上有上拉电阻，总线拉高即为释放总线）交给从机，得到从机应答ACK或非应答NACK，紧接着进行数据的接收或者数据传输的终止。
实验结果
结果如图所示。
接下来进行具体讲解，各个信号如何产生、代码实现、实验反馈。
起始、停止信号及代码
理论说明
如图所示
起始：当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。
停止：当SCL是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换。
代码实现
代码如下（示例）：
void I2C_SCL_1()//SCL电平拉高
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT_I2C, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
void I2C_SCL_0()
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT_I2C, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
void I2C_SDA_1()
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
void I2C_SDA_0()
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
static void i2c_Delay(void)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 10; i++);
}
void i2c_Start(void)
{
/* 当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。*/
I2C_SDA_1();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
void i2c_Stop(void)
{
/* 当SCL是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换 */
I2C_SDA_0();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SDA_1();
}
实验验证
数据有效性及代码
理论说明
如图所示
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”。
当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。
代码实现
这个代码函数功能是读取一个字节的数据，利用for循环依次读取8位数据。
#define I2C_SDA_READ HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN)
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t value;
value = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
value <<= 1;
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (I2C_SDA_READ)
{
value++;
}
I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
return value;
}
这个代码函数功能是发送一个字节的数据，利用for循环依次发送8位数据。
void i2c_SendByte(uint8_t oneByte)
{
uint8_t i;
/* 数据由高位到低位依次发送 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (oneByte& 0x80)
{
I2C_SDA_1();//判断为1发送1
}
else
{
I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
I2C_SDA_1(); //发送完成后释放总线等待应答
}
oneByte<<= 1; /* 左移做下一次判断*/
i2c_Delay();
}
}
实验验证
响应ACK及代码
理论说明
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。每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据。
应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答。应答信号为低电平时，规定为有效应答（ACK），表示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），表示接收该字节失败。
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)。
代码实现
该代码实现包括三个函数，第一个函数为产生应答信号，第二函数为产生非应答信号，第三个函数为判断应答。第一、二个函数如上述所示，第三个函数需要注意在读取ACK/NACK信号时先进行释放总线，即将SDA总线拉高交给其他需要响应的设备控制。
void i2c_Ack(void)
{
I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SCL_0();
i2c_Delay();//应答信号为低电平时，规定为有效应答（ACK）
I2C_SDA_1();
}
void i2c_NAck(void)
{
I2C_SDA_1();
i2c_Delay();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
uint8_t i2c_WaitAck(uint16_t timeout)
{
uint8_t re,ucErrTime=0;
I2C_SDA_1();//释放SDA总线
i2c_Delay();
I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
while(I2C_SDA_READ)//等待ACK//NACK
{
re = 0;
ucErrTime++;
if(ucErrTime>timeout)
{
return re;
}
else re = 1;
}
I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
return re;
}
实验验证
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位。
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。
以EEPROM 24C01为例，其地址如图所示。
