STM32_IIC

1、IIC简介

I2C，即Inter IC Bus。是由Philips公司开发的一种串行通用数据总线，主要用于近距离、低速的芯片之间的通信；有两根通信线：SCL（Serial Clock）用于通信双方时钟的同步、SDA（Serial Data）用于收发数据；具有同步，半双工，带数据应答，支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）等特点。

IIC总线是一种多主机总线，连接在IIC总线上的器件分为主机和从机，主机有权发起和结束一次通信，而从机只能被主机呼叫；当总线上有多个主机同时启用总线时，IIC也具备冲突检测和仲裁的功能来防止错误产生；每个连接到IIC总线上的器件都有一个唯一的地址（一般是7bit），且每个器件都可以作为主机也可以作为从机（同一时刻只能有一个主机），总线上的器件增加和删除不影响其它器件正常工作；IIC总线在通信时，总线上发送数据的器件为发送器，接收数据的器件为接收器。

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起；设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式；SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

在STM32内部集成了硬件I2C收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻CPU的负担；支持多主机模型；支持7位/10位地址模式；支持不同的通讯速度，标准速度(高达100 kHz)，快速(高达400 kHz)；支持DMA；兼容SMBus协议。

STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

对于串口这样的异步时序来说，软件实现非常麻烦，硬件实现非常简单，所以串口的实现基本全都倒向硬件了；而对IIC这样的同步时序来说，软件实现反而简单灵活，硬件实现，相比之下，不能完全让人省心，所以IIC的实现，软件模拟的情况还是比较多的。

考虑到硬件IIC也有很多独有的优势，比如执行效率比较高，可以节省软件资源，功能比较强大，可以实现完整的多主机通信模型，时序波形规整，通信速率快等，所以硬件IIC也是有相应的应用场景的。

2、IIC结构图

以下结构图基于STM32F103xxx

这里的数据收发的核心部分是数据寄存器和数据移位寄存器，当我们需要发送数据时，可以把一个字节的数据写到数据寄存器DR，当移位寄存器没有数据移位时，这个数据寄存器的值就是进一步转到移位寄存器这里，在移位的过程中，我们就可以直接把下一个数据放在数据寄存器里等着了，一旦数据发送完成，下一个数据就可以无缝连接，继续发送。当数据由数据寄存器转到移位寄存器时，就会置状态寄存器的值TXE位为1，表示发送寄存器为空。

在接收时，也是这一路，输入的数据，一位一位的从引脚移入到移位寄存器里，当一个字节的数据收齐之后，数据就整体从移位寄存器转到数据寄存器，同时置标志位RXNE，表示接收寄存器非空，这时就可以把数据从数据寄存器读出来了。

基本框图

3、IIC时序

3.1 IIC时序基本单元

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

3.2 IIC时序

3.2.1 指定地址写

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

这里这个指定设备，通过从机地址来确定，这里这个指定地址就是某个设备内部的寄存器地址。

3.2.2 当前地址读

对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

在这个时序图中，主机发送第一个字节，指定读之后，第2个字节读写的方向就要反过来了，控制权交给从机，由从机来发送数据，这时主机无法去指定是由从机哪个寄存器发出的数据，那么这里这个当前地址指针指示的地址就很重要了。在从机中，所有的寄存器都被分配到了一个线性区域中，并且会有一个单独的指针变量指示着其中一个寄存器，这个指针上电一般默认0地址，并且每写入和读出一个字节后，这个指针就会自动自增一次，移动到下一个位置，那么在调用当前地址读的时序时，主机没有指定要读哪个地址，从机就会返回当前指针指向的寄存器的值。

3.2.3 指定地址读

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

这里先指定从机地址是1101000，读写标志位是0，代表我要进行写的操作。经常从机应答之后，再发送一个字节，第二个字节用来指定地址，这个数据就写入到了从机的地址指针中了，也就是从机接受到这个数据之后，他的寄存器指针就指向了0x19这个位置，之后再重复一个起始条件，因为指定读写标志位只能是跟着起始条件的第一个字节，如果想要切换读写方向，只能再来个起始条件，然后起始条件后，重新寻址并且指定读写标志位，此时读写标志位是1，代表我要开始读了，这时候接收到的就是0x19下的数据。

写入的地址会存在地址指针里面，所以这个地址并不会因为时序的停止而消失。

4、操作流程

4.1 主机发送

指定地址写：首先初始化之后，总线默认空闲状态，STM32默认是从模式，为了产生一个起始条件，STM32需要写入控制寄存器（这个要看一下手册的寄存器描述），之后STM32由从模式转为主模式，控制完硬件电路之后，要检查标志位，来看看硬件有没有达到我们想要的状态，在这里起始条件之后会发生EV5事件，这个EV5事件就可以把它当成标志位（这里使用EV几事件，而不写具体标志位，是因为有的事件会产生多个标志位，这里的EV几事件就是包含了多个标志位的大标志位，在库函数中也会有对应），检查到起始条件已发送的情况下就可以发送一个字节的从机地址了，从机地址需要写到数据寄存器DR中，写入DR后，硬件电路会把这个字节发送到移位寄存器中，再把这一个字节发送到IIC总线上，之后硬件会自动接收应答并判断，如果没有应答，硬件会置应答失败的标志位，然后这个标志位可以申请中断来提醒我们，在寻址完成之后，会发生EV6事件（代表主模式下地址发送结束），EV6事件结束之后是EV8_1事件（TXE标志位=1，移位寄存器空，数据寄存器空），这时需要我们写入数据寄存器DR进行数据发送了，一旦写入数据寄存器之后，因为移位寄存器也是空，所以DR会立刻转到移位寄存器进行发送，这时就是EV8事件（移位寄存器非空，数据寄存器空），这时就是移位寄存器正在发数据的状态，所以流程这里，数据1的时序就发生了，之后应该是写入了下一个数据，数据2此刻应该被写入到数据寄存器里等着了，然后接收应答位之后，数据2就转入移位寄存器进行发送，此时的状态是移位寄存器非空，数据寄存器空，所以这是EV8事件又发生了，之后重复该过程，一旦我们检测要EEV8事件，就可以写入下一个数据了，最后当我们想要发送的数据写完之后，这时就没有新的数据写入数据寄存器了，当移位寄存器当前的数据移位完成时，此时就是移位寄存器空，数据寄存器也空的状态，这个事件就是这里的EV8_2事件，当检测到EV8_2时，就可以产生终止条件了，产生终止条件在控制寄存器中有相应的位可以控制，到这里，一个完整的时序就发送完成了。

4.2 主机接收

从七位主接收来看，起始，从机地址+读，接收应答，然后就是，接收数据，发送应答，最后一个数据给非应答，之后终止。从这个时序看，这是当前地址读的一个时序。

5、示例代码

5.1 软件读写IIC

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"     //#define SCL_PORT		GPIOB
//#define SCL_PIN		GPIO_Pin_10//对端口和引脚的封装，方便后续修改和移植
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);//I2C时序可以稍微慢一点，但是如果快了，那就要看一下手册对时序时间的要求Delay_us(10);}void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);//I2C时序可以稍微慢一点，但是如果快了，那就要看一下手册对时序时间的要求Delay_us(10);}uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);Delay_us(10);return BitValue;
}void MyI2C_Init(void)
{//软件读取I2C只要gpio的库函数就可以了，I2C的库函数就不用看了//任务一，将SCL和SDA都初始化为开漏输出模式//任务二，将SCL和SDA都置高电平RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//配置端口//先定义一个结构体变量GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;	//开漏输出,开漏输出模式仍然可以输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHzGPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//释放总线，SCL和SDA处于高电平，此时I2C总线处于空闲状态GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);}void MyI2C_Start(void)
{//根据I2C时序要求，这里兼顾了开始时序和Sr期间时序MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SDA(1);MyI2C_W_SDA(0);MyI2C_W_SCL(0);
}	void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SDA(1);
}void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
//	MyI2C_W_SDA(Byte & 0x80);	//取出数据的最高位，SDA是高位先行
//	//释放SCL，读走放在SDA的数据
//	MyI2C_W_SCL(1);
//	//再拉低SCL，就可以放下一位数据了
//	MyI2C_W_SCL(0);uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++){MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//0x80 >> i，表示0x80右移i位MyI2C_W_SCL(1);MyI2C_W_SCL(0);}
}uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;//主机释放SDA，从机把数据放到SDAMyI2C_W_SDA(1);for (i = 0; i < 8; i ++){//主机释放SCL，SCL高电平，主机就能读取数据了MyI2C_W_SCL(1);if (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}//再次拉低SCL，这时从机就会把数据放在SDA上MyI2C_W_SCL(0);}return Byte;}void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{//函数进来时，SCL低电平，主机把AckBit放到SDA上MyI2C_W_SDA(AckBit);	//SCL高电平，从机读取应答MyI2C_W_SCL(1);//SCL低电平，进入下一个时序单元MyI2C_W_SCL(0);
}uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;//函数进来时，SCl低电平//主机释放SDA，防止从机干扰，同时从机应答位放到SDAMyI2C_W_SDA(1);//SCL高电平，主机读取应答位MyI2C_W_SCL(1);AckBit = MyI2C_R_SDA();//SCL低电平，进入下一个时序单元MyI2C_W_SCL(0);return AckBit;}

5.2 硬件读写IIC

//MyI2C_Init();//用硬件来配置I2C外设，对I2C2外设进行初始化，来替换之前用软件实现的MyI2C_Init();	//第一步，开启I2C外设和对应GPIO口的时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//第二步，把I2C外设对应的GPIO口初始化为复用开漏模式GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;	//复用开漏输出，开漏是I2C硬件要求，复用就是GPIO的控制权要交给硬件外设GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHzGPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//第三步，使用结构体，对整个I2C进行配置I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;	//I2C的模式,这里选择是I2CI2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;	//配置SCL的时钟频率，数值越大，SCL频率越高，数据传输就越快，这里写的是50kHzI2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;	//时钟占空比，只有在时钟频率大于100kHz，也就是进入到快速状态时才有用，在小雨100kHz的标准速度下，占空比是标准的1:1I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;	//应答位配置,这里给enable，默认是给应答的I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;	//这里是指定STM32作为从机，可以响应几位的地址,这里选择7位地址I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;	//自身地址1，这个也是stm32作为从机使用的，用于指定stm32的自身地址，方便别的主机呼叫它,这里暂时不需要做从机被别人使唤，随便给一个，只要不和总线上其它设备的地址重复就可以了I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);//第四步，I2C_Cmd，使能I2CI2C_Cmd(I2C2, ENABLE);

//封装指定地址写和指定地址读的时序
//指定地址写寄存器
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
//	MyI2C_Start();
//	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//从机地址+读写位
//	MyI2C_ReceiveAck();
//	//发送指定寄存器地址
//	MyI2C_SendByte(RegAddress);
//	MyI2C_ReceiveAck();
//	//发送指定要写入指定寄存器地址下的数据
//	MyI2C_SendByte(Data);
//	MyI2C_ReceiveAck();
//	//终止时序
//	MyI2C_Stop();uint32_t Timeout;//控制外设电路，实现指定地址写的时序，来替换上面的WriteRegI2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);	//生成起始条件//对于非阻塞的程序，在函数结束之后，都要等待相应的标志位，来确保这个函数的操作执行到位了//对照PPT流程图，等待EV5的到来,stm32默认为从机，发送起始条件后变为主机Timeout = 10000;while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS)	//监测EV5事件是否发生了//在程序中如果while死循环等待用多了，一旦总线出问题了，就很容易造成整个程序卡死，还要设计一个超时退出的机制{Timeout --;if (Timeout == 0){break;	//使用break跳出这个循环，使用return跳出整个函数//在实际项目中，如果想让代码更加完善，这里不能只是简单的break了//这里还应该做一些相应的错误处理操作，比如说打印错误日志、进行系统复位//或者说，如果项目设计危险的机械结构，就要评估一下，是不是应该进行紧急停机的操作}}
//	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);	//这一句就等同与上面的等待事件和超时退出的结合I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//发送从机地址，第三个参数是方向，也就是从机地址的最低位，读写位//在这个库函数中，发送数据都自带了接收应答的过程，同样，接收数据也自带了发送应答的过程，如果应答错误，硬件会通过中断和标志位来提示我们，所以这里发送地址后，应答位就不需要处理了//等待EV6事件while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);//写入DR，发送数据I2C_SendData(I2C2, RegAddress);//等待EV8事件while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS);//发送数据I2C_SendData(I2C2, Data);//等待事件，这里这个是最后一个字节，要等待EV8_2事件while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS);I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);
}//指定地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;
//	MyI2C_Start();
//	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//从机地址+读写位
//	MyI2C_ReceiveAck();
//	//发送指定寄存器地址
//	MyI2C_SendByte(RegAddress);
//	MyI2C_ReceiveAck();
//	
//	//转入读的时序，就必须重新指定读写位，就必须重新起始
//	MyI2C_Start();
//	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);		//原从机地址，读写位为1
//	MyI2C_ReceiveAck();		//接收应答后，总线控制权就正式交给从机了
//	Data = MyI2C_ReceiveByte();
//	//主机接收后，要给从机发送一个应答
//	//参数给0，就是给从机应答，给1，就是不给从机应答；想继续读多个字节，那就要给应答，从机收到应答后就会继续发送数据
//	MyI2C_SendAck(1);
//	MyI2C_Stop();//控制外设电路，来实现指定地址读的时序，来替换上面的ReadRegI2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);	//生成起始条件while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS);	//监测EV5事件是否发生了//在程序中如果while死循环等待用多了，一旦总线出问题了，就很容易造成整个程序卡死，还要设计一个超时退出的机制I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//发送从机地址，第三个参数是方向，也就是从机地址的最低位，读写位while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);//写入DR，发送数据I2C_SendData(I2C2, RegAddress);while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS);I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);	//重复生成起始条件while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS);	//监测EV5事件是否发生了I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);	//第三个参数改为Receiver之后，函数内部就会自动把MPU6050_ADDRESS这个地址的最低位置1了，就不需要手动来改了while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS);	//在接收最后一个字节之前，也就是EV7_1事件那里，需要提前把ACK置0，STOP置1，如果只需要读取一个字节，那在EV6事件之后就要立刻ACK置0，STOP置1，要是设置晚了，时序上就会多一个字节出来I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//等待EV7事件，等EV7事件产生后，一个字节的数据就已经在DR里面了，我们读取DR即可拿出这一个字节while (I2C_CheckEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS);Data = I2C_ReceiveData(I2C2);//ack再次置1，我们的想法是，默认状态下ACK就是1，给从机应答，在接收最后一个字节之前，临时把ACK置0，给非应答。//所以在接收函数的最后，要回复默认的ACk = 1，这个流程是为了方便指定地址收多个字节I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);return Data;
}