带你了解STM32中的I2C

想学习单片机的同学可以关注、私信我或者在评论区回复我要入门。假如我们直接控制STM32的两个GPIO引脚,分别用作SCL及SDA,按照上述信号的时序要求,直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA 电平 ),I2C就可以实现通讯。同样,假如我们按照USART的要求去控制引脚,也能实现USART通讯。所以只要遵守协议,就能按通讯标准交互。

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直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时,需要由CPU控制每个时刻的引脚状态,这个方式叫作“软件模拟协议”。

当然还有“硬件协议”方式,STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议,只要配置好这个外设,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,而且让软件设计更加简单。

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。

STM32的I2C架构剖析

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通讯引脚

I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号,I2C通讯没有使用)。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。关于GPIO引脚的复用功能,以使用手册为准。

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。配置I2C的CCR寄存器可修改通讯速率相关的参数:

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=2或Tlow/Thigh=16/9模式,我们知道I2C协议在SCL高电平时对SDA信号采样,SCL低电平时SDA准备下一个数据,修改SCL的高低电平比会影响数据采样。

CCR寄存器中还有一个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,STM32的I2C外设都挂载在APB1总线上,使用APB1的时钟源PCLK1,SCL信号线的输出时钟公式如下:

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计算结果得出CCR为30,向该寄存器位写入此值则可以控制IIC的通讯速率为400KHz,其实即使配置出来的SCL时钟不完全等于标准的400KHz,IIC通讯的正确性也不会受到影响,因为所有数据通讯都是由SCL协调的,只要它的时钟频率偏差不要太大就行。

数据控制逻辑

I2C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;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。若使能数据校验,接收到的数据会经过PCE计算器运算,运算结果存储在“PEC寄存器”中。

当STM32的I2C工作在从机模式的时候,接收到设备地址信号时,数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较,以便响应主机的寻址。STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改,支持同时使用两个I2C设备地址,两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。

整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个I2C外设,控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时,控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”,我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位,就可以了解I2C的工作状态。除此之外,控制逻辑还根据要求,负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

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。

发送器

图中的是“主发送器”流程,即作为I2C通讯的主机端时,向外发送数据时的过程。

主发送器通讯过程

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主发送器发送流程及事件说明如下:

(1)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送;

(2)紧接着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”及“EV8”,这时SR1寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置1,ADDR为1表示地址已经发送,TXE为1表示数据寄存器为空;

(3)以上步骤正常执行并对ADDR位清零后,我们往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,就可以发送多个字节数据了;

(4)当我们发送数据完成后,控制I2C设备产生一个停止信号(P),这个时候会产生EV8_2事件,SR1的TXE位及BTF位都被置1,表示通讯结束。

假如我们使能了I2C中断,以上所有事件产生时,都会产生I2C中断信号,进入同一个中断服务函数,到I2C中断服务程序后,再通过查看寄存器的位来判断是哪一个事件。

主接收器

再来分析主接收器过程,即作为I2C通讯的主机端时,从外部接收数据的过程。

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主接收器接收流程及事件说明如下:

(1)同主发送流程,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;

(2)紧接着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。

(3)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,我们读取该寄存器后,可对数据寄存器清空,以便接收下一次数据。此时我们可以控制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;

(4)发送非应答信号后,产生停止信号(P),结束传输。

在发送和接收过程中,有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位,还可能同时标志主机状态之类的状态位,而且读了之后还需要清除标志位,比较复杂。我们可使用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。

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