STM32第九章-IIC通讯应用

  说到IIC(通常也叫I2C，其实都是一样的)通讯，是一种最简单的通讯协议。在学习STM32时第一个接触的就是串口USART通讯协议，接下来就是IIC通讯协议了还有的就是SPI协议，SPI我们下一章再说，这一章就说说IIC吧。很多模块都用到过IIC通讯，最常见的就是4针的0.96寸OLED显示屏，当然啦在学习STM32是我们一般最先接触到就是通过IIC来与EEPROM进行通讯，但是本章我们只讲协议本身。

一、 IIC 简介

  IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
  I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
  开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
  结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
  应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。

  IIC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。传输时，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。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
  如果我们直接控制STM32的两个GPIO 引脚，分别用作 SCL和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)，就可以实现 IIC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，就是标准的通讯，不管您如何实现它，不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。
  由于直接控制 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，所以称之为“软件模拟协议”方式。相对地，还有“硬件协议”方式，STM32 的 IIC片上外设专门负责实现IIC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<u>由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了 CPU 的工作，且使软件设计更加简单</u>。

二、 软件模拟协议

1.IIC初始化函数

功能：配置IIC的时钟线和数据线

void IIC_Init(void)
{                         
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);           
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;
}

  因为是软件模拟IIC那么我们选择IIC通讯的引脚就相对来说说比较随意，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。这里我们就选择PC11、PC12作为IIC的数据和时钟引脚。设置为推挽输出即可。

2.起始信号

功能: CPU发起I2C总线起始信号

void IIC_Start(void)
{
    IIC_SDA=1;            
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
     IIC_SDA=0;//START:当 CLK 为高电平时,DATA 从高到低改变
    delay_us(4);    
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
    delay_us(4);
}

  起始信号产生后，所有从机设备就开始等待STM32紧接下来的从机地址信号。在IIC总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据IIC协议，这个从机地址可以是 7位或10位。在地址位之后，是传输方向的选择位，<u>该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据</u>。

3.等待应答信号

功能：CPU 产生一个时钟，并读取器件的 ACK 应答信号

//返回值：1，接收应答失败  0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
    u8 re;
    IIC_SDA=1;delay_us(1);//CPU释放SDA总线       
    IIC_SCL=1;delay_us(1);//CPU驱动SCL=1,此时器件会返回ACK应答
    if(READ_SDA){//CPU读取SDA口线状态
       re=1;
    }else{
      re=0;
    }    
    IIC_SCL=0;//时钟输出0        
    return re;  
} 

  该函数用于 STM32 作为发送方时，等待及处理接收方传来的响应或非响应信号， 即一般调用前面的 IIC_SendByte 函数后，再调用本函数检测响应。
  STM32控制 SDA 信号线输出高阻态，释放它对 SDA的控制权，由接收方控制；控制 SCL 信号线切换高低电平，产生一个时钟信号，根据IIC协议，此时接收方若把 SDA 设置为低电平，就表示返回一个“应答”信号，若 SDA 保持为高电平，则表示返回一个“非应答 ”信号；在 SCL 切换高低电平之间，有个延时确保给予了足够的时间让接收方返回应答信号，延时后使用宏SDA_READ 读取 SDA 线的电平，根据电平值赋予 re 变量的值； 函数的最后返回 re的值，接收到响应时返回 0，未接收到响应时返回 1。当 STM32 作为数据接收端，调用 IIC_ReadByte 函数后，需要给发送端返回应答或非应答信号，此时可使用 IIC_Ack及 IIC_Nack 函数处理，该处理与 IIC_Wait_Ack函数相反，此时 SDA线也由 STM32控制。

4.应答信号

功能: CPU 产生一个 ACK 信号

//CPU产生一个ACK信号
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SDA=0;//CPU驱动SDA=0
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;//CPU产生一个时钟
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
    delay_us(2);
    IIC_SDA=1;//CPU释放SDA总线
}
//CPU产生1个NACK信号
void IIC_Nack (void)
{
    IIC_SDA=1();//CPU驱动SDA=1
    delay_us(2);
    IIC_SDA=1;//CPU产生1个时钟
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
    delay_us(2);    
}

  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。作为数据接收端时，当设备接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。
  代码的具体流程就是：根据要返回“应答”还是“非应答”信号，先准备好 SDA 线的电平，IIC_Ack函数中把 SDA 线设置为低电平，表示“应答”信号，IIC_Nack 函数中把 SDA 线设置为高电平，表示“非应答”信号；控制 SCL 线进行高低电平切换，产生一个时钟信号，在 SCL 线的高低电平之间加入一个延时，确保有足够的时间让通讯的另一方接收到 SDA信号线的电平；在 IIC_Ack 函数的末尾，响应信号发送结束后，重新把 SDA 线设置为高电平以释放总线的控制权，方便后续的通讯。

5.停止信号

功能：CPU 发起 I2C 总线停止信号

{    
    IIC_SDA=0;//STOP:当 CLK 为高电平时候， SDA出现一个上调表示IIC总线停止信号
    IIC_SCL=1;
     delay_us(4);
    IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号                               
}

  停止信号直接看是时序图就可以搞定了，在SCL和SDA都为低电平的情况下，首先把时钟线SCL拉高，再把数据线SDA拉高，IIC就会结束传输了。
  以上就是软件模拟IIC协议了，在平时的应用中我们实际上不需要掌握这些具体的代码，只要知道IIC协议的过程原理就行了，应为一般来说我们用的都是别人写好的代码，我们只需要会用就可以了，如果你的代码和我这些有出入也没有关系，只要能正常通讯即可，当然如果你的设计在过程中出现了一些问题，或者显示不正常，我们首先考虑的也不是底层协议的问题，而是你代码的其他问题。

6.IIC发送字节

功能: CPU向I2C总线设备发送8bit数据

void IIC_SendByte(u8 Byte)
{
    u8 i;
    /* 先发送字节的高位bit7 */
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {        
        if (Byte & 0x80)
        {
          IIC_SDA=1;
        }
        else
        {
            IIC_SDA=0;
        }
        i2c_Delay();
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;
        if (i == 7)
        {
             IIC_SDA=1;// 释放总线
        }
        Byte <<= 1;    /* 左移一个bit */
        delay_us(2);
    }
}

  该函数以其输入参数作为要使用 I2C 协议输出的数据，该数据大小为一字节。函数的主体是一个 8 次的 for 循环，循环体执行一次将会对外发送一个数据位，循环结束时刚好发送完该字节数据。步骤分解如下：
  首先程序对输入参数Byte 和 0x80“与”运算，判断其最高位的逻辑值，为 1 时控制 SDA输出高电平，为 0则控制 SDA输出低电平；接下来 延时，以此保证 SDA 线输出的电平已稳定，再进行后续操作；之后控制 SCL线产生高低电平跳变，也就是产生 I2C协议中 SCL线的通讯时钟； 在 SCL线高低电平之间有个延时，该延时期间 SCL线维持高电平，根据 I2C协议，此时数据有效，通讯的另一方会在此时读取 SDA 线的电平逻辑，高电平时接收到该位为数据 1，否则为 0；就这样一次循环体执行结束，Byte 左移一位以便下次循环发送下一位的数据；如次循环 8 次，把Byte 中的 8 位个数据位发送完毕，在最后一位发送完成后（此时循环计数器 i=7），控制 SDA 线输出 1（即高阻态），也就是说发送方释放 SDA总线，等待接收方的应答信号。

7.IIC读取字节

功能: CPU从IIC总线设备读取8bit数据

u8_t IIC_ReadByte(void)
{
    u8 i;
    u8 value;
    //读到第1个bit为数据的bit7
    value = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        value <<= 1;
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        if (DA_READ)
        {
            value++;
        }
        IIC_SCL=0;
        delay_us(2);
    }
    return value;
}

  IIC_ReadByte 函数也是以 for 循环为主体，循环体会被执行 8次，执行完毕后将会接收到一个字节的数据，循环体接收数据的流程如下：
  首先使用一个变量 value 暂存要接收的数据，每次循环开始前先对 value 的值左移 1 位，以给 value 变量的 bit0 腾出空间，bit0 将用于缓存最新接收到的数据位，一位一位地接收并移位，最后拼出完整的 8位数据；然后控制 SCL线进行高低电平切换，输出 I2C 协议通讯用的时钟； 在 SCL 线高低电平切换之间，有个延时，该延时确保给予了足够的时间让数据发送方进行处理，即发送方在 SCL 时钟驱动下通过 SDA 信号线发出电平逻辑信号，而这个延时之后，作为数据接收端的 STM32 使用宏 SDA_READ读取 SDA信号线的电平，若信号线为 1，则 value++，即把它的 bit0置 1，否则不
操作（这样该位将保持为 0），这样就读取到了一位的数据；接下来SCL线切换成低电平后，加入延时，以便接收端根据需要切换 SDA 线输出数据；直到循环结束后，value 变量中包含有 1 个字节数据，使用 return 把它作为函数返回值返回；

三、 硬件协议

  相对来说，硬件IIC直接使用外设来控制引脚，可以减轻 CPU 的负担。不过使用硬件IIC 时必须使用某些固定的引脚作为 SCL 和 SDA，软件模拟IIC则可以使用任意 GPIO 引脚，相对比较灵活。
  STM32的IIC外设可用作通讯的主机或从机，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IIC外设还支持 SMBus2.0协，SMBus 协议与IIC类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中。
  STM32 芯片有多个IIC外设，它们的IIC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，GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。

IIC初始化函数

void IIC_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;// 开漏输出 
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);    
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;//给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式
}

  因为是硬件IIC直接使用外设来控制引脚，那么我们选择IIC通讯的引脚就比较固定，具体使用的引脚可查阅《STM32F1xx 规格书》，以它为准。可以看到PB6和PB7两个引脚可以作为IIC的通讯引脚，而且PB6为SCL时钟线，而PB7则为SDA数据线，并设置为开漏输出。
  这里为啥设置为开漏输出的方式呢？
  这是由于使用的是软件模拟IIC方式，而IIC协议的 GPIO 必须的开漏输出模式，开漏输出模式在输出高电平时实际输出高阻态，当IIC该总线上所有设备都输出高阻态时，由外部的上拉电阻上拉为高电平。另外当 STM32 的 GPIO 配置成开漏输出模式时，它仍然可以通过读取GPIO 的输入数据寄存器获取外部对引脚的输入电平，也就是说它同时具有浮空输入模式的功能，因此在后面控制 SDA线对外输出电平或读取 SDA线的电平信号时不需要切换 GPIO的模式。
  另外在应交IIC协议之下，它的起始信号、等待应答信号、应答信号、停止信号都与软件模拟IIC协议之下的函数相同，在这里我就不重复说明了。
  总结：IIC通讯协议很简单，在实际项目中我们不需要掌握具体的IIC协议代码，只要会用即可，作为最常见且常用的协议，我们最好能够背下来或者有所了解。现在IIC通讯不陌生了吧！