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2018年(27)

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分类: 嵌入式

2018-08-15 14:04:15

本章参考资料:《STM32F76xxx参考手册》、《STM32F7xx规格书》、库帮助文档《STM32F779xx_User_Manual.chm》及《I2C总线协议》。

若对I2C通讯协议不了解,可先阅读《I2C总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS,可阅读《smbus20》文档。

关于EEPROM存储器,请参考“常用存储器介绍”章节,实验中的EEPROM,请参考其规格书《AT24C02》来了解。

23.1  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。

下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。

23.1.1  I2C物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式见 23-1。

 

23-1 常见的I2C通讯系统

它的物理层有如下特点:

(1) 它是一个支持多设备的总线。“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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

(5) 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。

(6) 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1Mbit/s,但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制  。

23.1.2  协议层

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。

1. I2C基本读写过程

先看看I2C通讯过程的基本结构,它的通讯过程见 23-2、 23-3及 23-4。

 

23-2 主机写数据到从机

 

23-3 主机由从机中读数据

 

23-4 I2C通讯复合格式

图例:  数据由主机传输至从机     S : 传输开始信号

   SLAVE_ADDRESS: 从机地址

       数据由从机传输至主机    R/W(——) 传输方向选择位,1为读,0为写

        A/A(——)  应答(ACK)或非应答(NACK)信号

         P   : 停止传输信号

这些图表示的是主机和从机通讯时,SDA线的数据包序列。

其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S),这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后,所有从机就开始等待主机紧接下来广播从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C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I2C协议,这个从机地址可以是7或10

在地址位之后,是传输方向的选择位,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。

从机接收到匹配的地址后,主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号,只有接收到应答信号后,主机才能继续发送或接收数据。

 若配置的方向传输位为写数据”方向,即第一幅图的情况,广播完地址,接收到应答信号后,主机开始正式向从机传输数据(DATA),数据包的大小为8,主机每发送完一个字节数据,都要等待从机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以向从机传输N个数据,这个N没有大小限制。当数据传输结束时,主机向从机发送一个停止传输信号(P),表示不再传输数据。

若配置的方向传输位为读数据”方向,即第二幅图的情况,广播完地址,接收到应答信号后,从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为8,从机每发送完一个数据,都会等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以返回N个数据,这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时,就向从机返回一个非应答信号(NACK),则从机自动停止数据传输。

除了基本的读写,I2C通讯更常用的是复合格式,即第三幅图的情况,该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中,主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后,发送一段“数据”,这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别);在第二次的传输中,对该地址的内容进行读或写。也就是说,第一次通讯是告诉从机读写地址,第二次则是读写的实际内容。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下:

1. 通讯的起始和停止信号

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态,见 235。当 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。当 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。

 

23-5 起始和停止信号

2. 数据有效性

I2C使用SDA信号线来传输数据,使用SCL信号线进行数据同步。见 236SDA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。

 

23-6 数据有效性

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。

3. 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。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位,实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是数据方向位(R/W(——)),第8位或第11位。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。见 23-7。

 

23-7 设备地址(7)及数据传输方向

读数据方向时,主机会释放对SDA信号线的控制,由从机控制SDA信号线,主机接收信号,写数据方向时,SDA由主机控制,从机接收信号。

4. 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。作为数据接收端时,当设备(无论主从机)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。见 23-8。

23-8 响应与非响应信号

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)

23.2  STM32I2C特性及架构

如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚,分别用作SCLSDA,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I2C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,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。

23.2.1  STM32I2C外设简介

STM32I2C外设可用作通讯的主机及从机,支持标准速度模式(高达100Kbit/s)、快速模式(高达400Kbit/s)、超快速模式(高达1Mbit/s),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,本教程不展开,感兴趣的读者可参考《SMBus2.0》文档了解。

23.2.2  STM32I2C架构剖析

 

23-9 I2C架构图

1. 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,见 231。关于GPIO引脚的复用功能,可查阅《STM32F7xx规格书》,以它为准。

23-1 STM32F7xxI2C引脚(整理自《STM32F7xx规格书》)

引脚

I2C编号

I2C1

I2C2

I2C3

I2C4

SCL

PB6/PB8

PH4/PF1/PB10

PH7/PA8

PD12/PF14/PH11

SDA

PB7/PB9

PH5/PF0/PB11

PH8/PC9

PD13/PF15/PH12

2. 噪声滤波器

模拟噪声滤波器,集成于SDASCL的输入上,默认情况下是打开的,该模拟滤波器符合I2C规范,此规范要求在快速模式和超快速模式下对脉宽50ns以下的脉冲都要抑制。可以空过将寄存器I2C_CR1ANFOFF位置1,注意该位只能在I2C禁止时(PE=0)时编程。

3. 时钟源及要求

I2C 的时钟由独立时钟源提供,这使得 I2C 能够独立于 PCLK 频率工作。该独立时钟源可从以下三种时钟源中任选其一:

4. I2C时钟控制

使用I2C必须配置时序,以便保证主模式和从模式下使用正确的数据保持和建立时间。通过设置 I2C_TIMINGR 寄存器中的 SCLH SCLL 位来配置 I2C 主时钟。具体是指 I2C_TIMINGR 寄存器中的 PRESC[3:0]SCLDEL[3:0] SDADEL[3:0] 位。ST已经专用做了一款工具来计算I2C_TIMINGR 寄存器的值,可以在我们参考工具文件夹找到。例如我们要产生标准的100KHzI2C主设备时序,在序号1的框中依次填入Device Mode MasterMasterI2C Speed Mode:Standard ModeI2C Speed Frequency(KHz)100I2C Clock Source Frequency(KHz)54000Analog Filter DelayONCoefficient of Digital Filt0Rise Time(ns)100Fall Time(ns)10,最后在右侧序号2的框中找到Run按钮即可生成TIMINGR 寄存器的值:0x60201E2B,双击即可复制,最后粘贴在MDK的I2C初始化源码中就可以完成初始化。这样非常方便,避免头痛的计算。

 

23-10 I2C时序计算工具

 

下面我们来讲解初始化I2C时钟的计算方法,为了支持多主环境和从时钟延长, I2C 实现了时钟同步机制。为了实现时钟同步,需执行以下操作:

 

5. 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。若使能了数据校验,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STM32I2C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OAR1OAR2中。

6. 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(SR1SR2)”,我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位,就可以了解I2C的工作状态了。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)

23.2.3  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,我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

1. 主发送器

23-11。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。

 

23-11 主发送器通讯过程

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1ADDR 1表示地址已经发送,TXE1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EV2事件,SR1TXE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,再通过检查寄存器位来了解是哪一个事件。

2. 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,见 23-12

 

23-12 主接收器过程

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 HAL库函数来直接检测这些事件的复合标志,降低编程难度。

23.3  I2C初始化结构体详解

跟其它外设一样,STM32 HAL库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f7xx_hal_i2c.h”及“stm32f7xx_hal_i2c.c”中,编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对I2C外设运用自如了,见代码清单 23-1。

代码清单 23-1 I2C初始化结构体

1 typedef struct {

 2     uint32_t Timing;

 3     /*指定I2C_TIMINGR寄存器的值,可以通过I2C_TIMING_CONFIGURARION工具计算*/

 4

 5     uint32_t OwnAddress1;  /*指定自身的I2C设备地址1,可以是 7-bit或者10-bit*/

 6

 7     uint32_t AddressingMode; /*指定地址的长度模式,可以是7bit模式或者10bit模式 */

 8

 9     uint32_t DualAddressMode;  /*设置双地址模式 */

10

11     uint32_t OwnAddress2; /*指定自身的I2C设备地址2只能 7-bit */

12

13     uint32_t OwnAddress2Masks;    /*指定当双地址模式时的掩码 */

14

15     uint32_t GeneralCallMode;     /*指定广播呼叫模式 */

16

17     uint32_t NoStretchMode;       /*指定禁止时钟延长模*/

18

19 } I2C_InitTypeDef;

这些结构体成员说明如下,其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL库中定义的宏:

(1) Timing

本成员设置的是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写入到I2C的时钟控制寄存器CCR。这个数值的计算上一节已经说明。

(2) OwnAddress1

本成员配置的是STM32I2C设备自身地址1,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(受下面(3) AddressingMode成员决定),只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

STM32I2C外设可同时使用两个地址,即同时对两个地址作出响应,这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址,若需要设置第二个地址寄存器OAR2,可使用DualAddressMode成员使能,然后设置OwnAddress2成员即可,OAR2不支持10位地址。

(3) AddressingMode

本成员选择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OwnAddress1成员,只有这里设置成10位模式时, OwnAddress1才支持10位地址。

(4) DualAddressMode

本成员配置的是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(受下面I2C_AcknowledgeAddress成员决定),只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

STM32I2C外设可同时使用两个地址,即同时对两个地址作出响应,这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址,若需要设置第二个地址寄存器OAR2,可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置,OAR2不支持10位地址。

(5) OwnAddress2

本成员配置的是STM32I2C设备自身地址2,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,只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

(6) OwnAddress2Masks

本成员指定I2C的双地址模式时的掩码。

(7) GeneralCallMode

本成员是关于I2C从模式时的广播呼叫模式设置。

(8) NoStretchMode

本成员是关于I2C禁止时钟延长模式设置,用于在从模式下禁止时钟延长。它在主模式下必须保持关闭。

 

配置完这些结构体成员值,调用库函数HAL_I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

23.4  I2C—读写EEPROM实验

EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储器,常用来存储一些配置信息,以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM芯片最常用的通讯方式就是I2C协议,本小节以EEPROM的读写实验为大家讲解STM32I2C使用方法。实验中STM32I2C外设采用主模式,分别用作主发送器和主接收器,通过查询事件的方式来确保正常通讯。

23.4.1  硬件设计

 

23-13 EEPROM硬件连接图

本实验板中的EEPROM芯片(型号:AT24C02)SCLSDA引脚连接到了STM32对应的I2C引脚中,结合上拉电阻,构成了I2C通讯总线,它们通过I2C总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有7位,其中高4位固定为:1010 b,低3位则由A0/A1/A2信号线的电平决定,见 23-14,图中的R/W是读写方向位,与地址无关。

 

23-14 EEPROM设备地址(摘自《AT24C02》规格书)

按照我们此处的连接,A0/A1/A2均为0,所以EEPROM7位设备地址是:101 0000b ,即0x50。由于I2C通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个8位数,且当R/W位为0时,表示写方向,所以加上7位地址,其值为“0xA0”,常称该值为I2C设备的“写地址”;当R/W位为1时,表示读方向,加上7位地址,其值为“0xA1”,常称该值为“读地址”。

EEPROM芯片中还有一个WP引脚,具有写保护功能,当该引脚电平为高时,禁止写入数据,当引脚为低电平时,可写入数据,我们直接接地,不使用写保护功能。

关于EEPROM的更多信息,可参考其数据手册《AT24C02》来了解。若您使用的实验板EEPROM的型号、设备地址或控制引脚不一样,只需根据我们的工程修改即可,程序的控制原理相同。

23.4.2  软件设计

为了使工程更加有条理,我们把读写EEPROM相关的代码独立分开存储,方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_i2c_ee.c”及“bsp_i2c_ee.h”文件,这些文件也可根据您的喜好命名,它们不属于STM32 HAL库的内容,是由我们自己根据应用需要编写的。

1. 编程要点

(1) 配置通讯使用的目标引脚为开漏模式;

(2) 使能I2C外设的时钟;

(3) 配置I2C外设的模式、地址、速率等参数并使能I2C外设;

(4) 编写基本I2C按字节收发的函数;

(5) 编写读写EEPROM存储内容的函数;

(6) 编写测试程序,对读写数据进行校验。

2. 代码分析 I2C硬件相关宏定义

我们把I2C硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_i2c_ee.h”文件中,见代码清单 23-2。

代码清单 23-2  I2C硬件配置相关的宏

1 /* 这个地址只要与STM32外挂的I2C器件地址不一样即可 */

 2 #define I2C_OWN_ADDRESS7      0X0A

 3

 4 /*I2C接口*/

 5 #define EEPROM_I2C                          I2C4

 6 #define EEPROM_I2C_CLK_ENABLE()             __HAL_RCC_I2C4_CLK_ENABLE()

 7 #define RCC_PERIPHCLK_I2Cx                  RCC_PERIPHCLK_I2C4

 8

 9 #define EEPROM_I2C_SCL_PIN                  GPIO_PIN_12

10 #define EEPROM_I2C_SCL_GPIO_PORT            GPIOD

11 #define EEPROM_I2C_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()    __GPIOD_CLK_ENABLE()

12 #define EEPROM_I2C_SCL_AF                   GPIO_AF4_I2C4

13

14 #define EEPROM_I2C_SDA_PIN                  GPIO_PIN_13

15 #define EEPROM_I2C_SDA_GPIO_PORT            GPIOD

16 #define EEPROM_I2C_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()    __GPIOD_CLK_ENABLE()

17 #define EEPROM_I2C_SDA_AF                   GPIO_AF4_I2C4 #define

以上代码根据硬件连接,把与EEPROM通讯使用的I2C号 、引脚号、引脚源以及复用功能映射都以宏封装起来,并且定义了自身的I2C地址及通讯速率,以便配置模式的时候使用。

初始化I2CGPIO 

利用上面的宏,编写I2C  GPIO引脚的初始化函数,见代码清单 13-2。

代码清单 23-3  I2C初始化函数

1 /**

 2   * @brief  I2C1 I/O配置

 3   * @param  

 4   * @retval

 5   */

 6 static void I2C_GPIO_Config(void)

 7 {

 8

 9     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

10     RCC_PeriphCLKInitTypeDef RCC_PeriphClkInit;

11

12     /*使能I2C时钟*/

13     EEPROM_I2C_CLK_ENABLE();

14

15     /*使能I2CIO口时钟*/

16     EEPROM_I2C_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();

17     EEPROM_I2C_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

18

19     /*配置I2CSCL*/

20     GPIO_InitStructure.Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN;

21     GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;

22     GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;

23     GPIO_InitStructure.Pull  = GPIO_NOPULL;

24     GPIO_InitStructure.Alternate = EEPROM_I2C_SCL_AF;

25     HAL_GPIO_Init(EEPROM_I2C_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

26

27     /*配置I2CSDA*/

28     GPIO_InitStructure.Pin = EEPROM_I2C_SDA_PIN;

29     HAL_GPIO_Init(EEPROM_I2C_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

30

31     /* Force the I2C peripheral clock reset */

32     EEPROM_I2C_FORCE_RESET();

33

34     /* Release the I2C peripheral clock reset */

35     EEPROM_I2C_RELEASE_RESET();

36

37 } 

同为外设使用的GPIO引脚初始化,初始化的流程与“串口初始化函数”章节中的类似,主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下:

(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量,以便下面用于存储GPIO配置;

(2) 调用宏EEPROM_I2C_CLK_ENABLE()使能I2C外设时钟,调用宏定义EEPROM_I2C_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()和EEPROM_I2C_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()来使能I2C引脚使用的GPIO端口时钟。

(3) GPIO初始化结构体赋值,把引脚初始化成复用开漏模式,要注意I2C的引脚必须使用这种模式。

(4) 使用以上初始化结构体的配置,调用HAL_GPIO_Init函数向寄存器写入参数,完成GPIO的初始化。

配置I2C的模式

以上只是配置了I2C使用的引脚,还不算对I2C模式的配置,见代码清单 23-4。

代码清单 23-4 配置I2C模式

1 /**

 2   * @brief  I2C 工作模式配置

 3   * @param  

 4   * @retval

 5   */

 6 static void I2C_Mode_Config(void)

 7 {

 8     /* I2C 配置 */

 9     I2C_Handle.Instance = EEPROM_I2C;

10     I2C_Handle.Init.Timing           = 0x60201E2B;//100KHz

11     I2C_Handle.Init.OwnAddress1      = 0;

12     I2C_Handle.Init.AddressingMode   = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;

13     I2C_Handle.Init.DualAddressMode  = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;

14     I2C_Handle.Init.OwnAddress2      = 0;

15     I2C_Handle.Init.OwnAddress2Masks = I2C_OA2_NOMASK;

16     I2C_Handle.Init.GeneralCallMode  = I2C_GENERALCALL_DISABLE;

17     I2C_Handle.Init.NoStretchMode    = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;

18

19     /* Init the I2C */

20     HAL_I2C_Init(&I2C_Handle);

21

22     HAL_I2CEx_AnalogFilter_Config(&I2C_Handle, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE);

23 }

24

25 /**

26   * @brief  I2C 外设(EEPROM)初始化

27   * @param  

28   * @retval

29   */

30 void I2C_EE_Init(void)

31 {

32

33     I2C_GPIO_Config();

34     I2C_Mode_Config();

35

36 }

熟悉STM32  I2C结构的话,这段初始化程序就十分好理解了,指定连接EEPROMI2CEEPROM_I2C这里是I2C4,时序配置为上面用工具计算出来的值,自身地址为0,地址设置为7bit模式,关闭双地址模式,自身地址2也为0,自身地址2掩码设置为无掩码,禁止通用广播模式,禁止时钟延长模式。最后调用库函数HAL_I2C_Init把这些配置写入寄存器。

为方便调用,我们把I2CGPIO及模式配置都用I2C_EE_Init函数封装起来。

EEPROM写入一个字节的数据

初始化好I2C外设后,就可以使用I2C通讯了,我们看看如何向EEPROM写入一个字节的数据,见代码清单 23-5。

代码清单 23-5 EEPROM写入一个字节的数据

1 /**

 2   * @brief   写一个字节到I2C EEPROM

 3   * @param

 4   *   @arg pBuffer:缓冲区指针

 5   *   @arg WriteAddr:写地址

 6   * @retval  

 7   */

 8 uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr)

 9 {

10     HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

11

12     status = HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS, (uint16_t)WriteAddr,

13 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pBuffer, 1, 100);

14     /* Check the communication status */

15     if (status != HAL_OK) {

16         /* Execute user timeout callback */

17         //I2Cx_Error(Addr);

18     }

19     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

20

21     }

22

23     /* Check if the EEPROM is ready for a new operation */

24     while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,

25 EEPROM_MAX_TRIALS, I2Cx_TIMEOUT_MAX) == HAL_TIMEOUT);

26     /* Wait for the end of the transfer */

27     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

28

29     }

30     return status;

31 }

这里我们只是简单调用库函数HAL_I2C_Mem_Write就可以实现,通过封装一次使用更方便。

在这个通讯过程中,STM32实际上通过I2CEEPROM发送了两个数据,但为何第一个数据被解释为EEPROM的内存地址?这是由EEPROM的自己定义的单字节写入时序,见 23=15。

 

23-15 EEPROM单字节写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

EEPROM的单字节时序规定,向它写入数据的时候,第一个字节为内存地址,第二个字节是要写入的数据内容。所以我们需要理解:命令、地址的本质都是数据,对数据的解释不同,它就有了不同的功能。

EEPROM的页写入

在以上的数据通讯中,每写入一个数据都需要向EEPROM发送写入的地址,我们希望向连续地址写入多个数据的时候,只要告诉EEPROM第一个内存地址address1,后面的数据按次序写入到address2address3…  这样可以节省通讯的内容,加快速度。为应对这种需求,EEPROM定义了一种页写入时序,见 23-16。

 

23-16  EEPROM页写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

根据页写入时序,第一个数据被解释为要写入的内存地址address1,后续可连续发送n个数据,这些数据会依次写入到内存中。其中AT24C02型号的芯片页写入时序最多可以一次发送8个数据(n = 8 ),该值也称为页大小,某些型号的芯片每个页写入时序最多可传输16个数据。EEPROM的页写入代码实现见代码清单 23-6。

代码清单 23-6 EEPROM的页写入

1

 2 /**

 3   * @brief   EEPROM的一个写循环中可以写多个字节,但一次写入的字节数

 4   *          不能超过EEPROM页的大小,AT24C02每页有8个字节

 5   * @param

 6   * @param    pBuffer:缓冲区指针

 7   * @param    WriteAddr:写地址

 8   * @param    NumByteToWrite:要写的字节数要求NumByToWrite小于页大小

 9   * @retval  正常返回1,异常返回0

10   */

11 uint8_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,

12                          uint8_t NumByteToWrite)

13 {

14     I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;

15

16     while (I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2C, I2C_FLAG_BUSY))

17     {

18         if ((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(4);

19     }

20

21     /* 产生I2C起始信号 */

22     I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);

23

24     I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

25

26     /* 检测 EV5 事件并清除标志 */

27     while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))

28     {

29         if ((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(5);

30     }

31

32     /* 发送EEPROM设备地址  */

33 I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);

34

35     I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

36

37     /* 检测 EV6 事件并清除标志*/

38     while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C,

39                            I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))

40     {

41         if ((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(6);

42     }

43     /* 发送要写入的EEPROM内部地址(EEPROM内部存储器的地址) */

44     I2C_SendData(EEPROM_I2C, WriteAddr);

45

46     I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

47

48     /* 检测 EV8 事件并清除标志*/

49   while (! I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))

50     {

51         if ((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(7);

52     }

53     /* 循环发送NumByteToWrite个数据 */

54     while (NumByteToWrite--)

55     {

56         /* 发送缓冲区中的数据 */

57         I2C_SendData(EEPROM_I2C, *pBuffer);

58

59         /* 指向缓冲区中的下一个数据 */

60         pBuffer++;

61

62         I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

63

64         /* 检测 EV8 事件并清除标志*/

65     while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))

66         {

67             if ((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(8);

68         }

69     }

70     /* 发送停止信号 */

71     I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2C, ENABLE);

72     return 1;

73 }

这段页写入函数主体跟单字节写入函数是一样的,只是它在发送数据的时候,使用for循环控制发送多个数据,发送完多个数据后才产生I2C停止信号,只要每次传输的数据小于等于EEPROM时序规定的页大小,就能正常传输。

多字节写入

多次写入数据时,利用EEPROM的页写入方式,避免单字节读写时候的等待。多个数据写入过程见代码清单 23-7。

代码清单 23-7 多字节写入

1 /**

 2   * @brief   将缓冲区中的数据写到I2C EEPROM

 3   * @param

 4   *   @arg pBuffer:缓冲区指针

 5   *   @arg WriteAddr:写地址

 6   *     @arg NumByteToWrite:写的字节数

 7   * @retval  

 8   */

 9 void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite)

10 {

11     uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0;

12

13     Addr = WriteAddr % EEPROM_PAGESIZE;

14     count = EEPROM_PAGESIZE - Addr;

15     NumOfPage =  NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;

16     NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;

17

18     /* If WriteAddr is I2C_PageSize aligned  */

19     if (Addr == 0) {

20         /* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */

21         if (NumOfPage == 0) {

22             I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

23         }

24         /* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */

25         else {

26             while (NumOfPage--) {

27                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);

28                 WriteAddr +=  EEPROM_PAGESIZE;

29                 pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;

30             }

31

32             if (NumOfSingle!=0) {

33                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

34             }

35         }

36     }

37     /* If WriteAddr is not I2C_PageSize aligned  */

38     else {

39         /* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */

40         if (NumOfPage== 0) {

41             I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

42         }

43         /* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */

44         else {

45             NumByteToWrite -= count;

46             NumOfPage =  NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;

47             NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;

48

49             if (count != 0) {

50                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);

51                 WriteAddr += count;

52                 pBuffer += count;

53             }

54

55             while (NumOfPage--) {

56                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);

57                 WriteAddr +=  EEPROM_PAGESIZE;

58                 pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;

59             }

60             if (NumOfSingle != 0) {

61                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

62             }

63         }

64     }

65}

很多读者觉得这段代码的运算很复杂,看不懂,其实它的主旨就是对输入的数据进行分页(本型号芯片每页8个字节),见 232。通过“整除”计算要写入的数据NumByteToWrite能写满多少“完整的页”,计算得的值存储在NumOfPage中,但有时数据不是刚好能写满完整页的,会多一点出来,通过“求余”计算得出“不满一页的数据个数”就存储在NumOfSingle中。计算后通过按页传输NumOfPage次整页数据及最后的NumOfSing个数据,使用页传输,比之前的单个字节数据传输要快很多。

除了基本的分页传输,还要考虑首地址的问题,见 233。若首地址不是刚好对齐到页的首地址,会需要一个count值,用于存储从该首地址开始写满该地址所在的页,还能写多少个数据。实际传输时,先把这部分count个数据先写入,填满该页,然后把剩余的数据(NumByteToWrite-count),再重复上述求出NumOPageNumOfSingle的过程,按页传输到EEPROM

 

1. writeAddress=16,计算得Addr=16%8= 0 count=8-0= 8

2. 同时,若NumOfPage=22,计算得NumOfPage=22/8= 2NumOfSingle=22%8= 6

3. 数据传输情况如 23-2

23-2 首地址对齐到页时的情况

不影响

0

1

2

3

4

5

6

7

不影响

8

9

10

11

12

13

14

15

第1页

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18

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22

23

第2页

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25

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28

29

30

31

NumOfSingle=6

32

33

34

35

36

37

38

39

 

4. writeAddress=17,计算得Addr=17%8= 1count=8-1= 7

5. 同时,若NumOfPage=22

6. 先把count去掉,特殊处理,计算得新的NumOfPage=22-7= 15

7. 计算得NumOfPage=15/8= 1,NumOfSingle=15%8= 7。

8. 数据传输情况如 23-3

23-3 首地址未对齐到页时的情况

不影响

0

1

2

3

4

5

6

7

不影响

8

9

10

11

12

13

14

15

count=7

16

17

18

19

20

21

22

23

第1页

24

25

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27

28

29

30

31

NumOfSingle=7

32

33

34

35

36

37

38

39

 

最后,强调一下,EEPROM支持的页写入只是一种加速的I2C的传输时序,实际上并不要求每次都以页为单位进行读写,EEPROM是支持随机访问的(直接读写任意一个地址),如前面的单个字节写入。在某些存储器,如NAND FLASH,它是必须按照Block写入的,例如每个Block5124096字节,数据写入的最小单位是Block,写入前都需要擦除整个BlockNOR FLASH则是写入前必须以Sector/Block为单位擦除,然后才可以按字节写入。而我们的EEPROM数据写入和擦除的最小单位是“字节”而不是“页”,数据写入前不需要擦除整页。

EEPROM读取数据

EEPROM读取数据是一个复合的I2C时序,它实际上包含一个写过程和一个读过程,见 23-17。

 

23-17 EEPROM数据读取时序

读时序的第一个通讯过程中,使用I2C发送设备地址寻址(写方向),接着发送要读取的“内存地址”;第二个通讯过程中,再次使用I2C发送设备地址寻址,但这个时候的数据方向是读方向;在这个过程之后,EEPROM会向主机返回从“内存地址”开始的数据,一个字节一个字节地传输,只要主机的响应为“应答信号”,它就会一直传输下去,主机想结束传输时,就发送“非应答信号”,并以“停止信号”结束通讯,作为从机的EEPROM也会停止传输。HAL库已经帮我们实现了这一个过程,我们只是简单封装一下就可以直接使用,实现代码见代码清单 23-8。

代码清单 23-8 EEPROM读取数据

1 /**

 2   * @brief   EEPROM里面读取一块数据

 3   * @param

 4   *   @arg pBuffer:存放从EEPROM读取的数据的缓冲区指针

 5   *   @arg WriteAddr:接收数据的EEPROM的地址

 6   *     @arg NumByteToWrite:要从EEPROM读取的字节数

 7   * @retval  

 8   */

 9 uint32_t I2C_EE_BufferRead(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr, uint16_t NumByteToRead)

10 {

11     HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

12

13     status=HAL_I2C_Mem_Read(&I2C_Handle,EEPROM_ADDRESS,ReadAddr,

14 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t *)pBuffer, NumByteToRead, 1000);

15

16     return status;

17 } 

这里代码非常简单,我们只需要确定I2C的地址,数据格式,数据存储指针,数据大小,超时设置就可以把想要的数据读回来。

3. main文件 EEPROM读写测试函数

完成基本的读写函数后,接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程序,见代码清单 23-9。

代码清单 23-9 EEPROM读写测试函数

1 /**

 2   * @brief  I2C(AT24C02)读写测试

 3   * @param  

 4   * @retval 正常返回1 ,不正常返回0

 5   */

 6 uint8_t I2C_Test(void)

 7 {

 8     uint16_t i;

 9

10     EEPROM_INFO("写入的数据");

11

12     for ( i=0; i填充缓冲

13         I2c_Buf_Write[i] =i;

14         printf("0x%02X ", I2c_Buf_Write[i]);

15         if (i%16 == 15)

16             printf("\n\r");

17     }

18

19     //I2c_Buf_Write中顺序递增的数据写入EERPOM

20     I2C_EE_BufferWrite( I2c_Buf_Write, EEP_Firstpage, DATA_Size);

21

22     EEPROM_INFO("读出的数据");

23     //EEPROM读出数据顺序保持到I2c_Buf_Read

24     I2C_EE_BufferRead(I2c_Buf_Read, EEP_Firstpage, DATA_Size);

25     //I2c_Buf_Read中的数据通过串口打印

26     for (i=0; i

27         if (I2c_Buf_Read[i] != I2c_Buf_Write[i]) {

28             printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);

29             EEPROM_ERROR("错误:I2C EEPROM写入与读出的数据不一致");

30             return 0;

31         }

32         printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);

33         if (i%16 == 15)

34             printf("\n\r");

35

36     }

37     EEPROM_INFO("I2C(AT24C02)读写测试成功");

38     return 1;

39 } 

代码中先填充一个数组,数组的内容为1,2,3N,接着把这个数组的内容写入到EEPROM中,写入时采用页写入的方式。写入完毕后再从EEPROM的地址中读取数据,把读取得到的与写入的数据进行校验,若一致说明读写正常,否则读写过程有问题或者EEPROM芯片不正常。其中代码用到的EEPROM_INFOEEPROM_ERROR宏类似,都是对printf函数的封装,使用和阅读代码时把它直接当成printf函数就好。具体的宏定义在“bsp_i2c_ee.h文件中”,在以后的代码我们常常会用类似的宏来输出调试信息。

main函数

最后编写main函数,函数中初始化了系统时钟、LED、串口、I2C外设,然后调用上面的I2C_Test函数进行读写测试,见代码清单 23-10。

代码清单 23-10 main函数

1 /**

 2   * @brief  主函数

 3   * @param  

 4   * @retval

 5   */

 6 int main(void)

 7 {

 8     /* 配置系统时钟为216 MHz */

 9     SystemClock_Config();

10

11     /* 初始化RGB彩灯 */

12     LED_GPIO_Config();

13

14     LED_BLUE;

15     /*初始化USART1*/

16     UARTx_Config();

17

18     printf("\r\n 欢迎使用秉火  STM32 F429 开发板。\r\n");

19

20     printf("\r\n 这是一个I2C外设(AT24C02)读写测试例程 \r\n");

21

22     /* I2C 外设初(AT24C02)始化 */

23     I2C_EE_Init();

24

25     if (I2C_Test() ==1) {

26         LED_GREEN;

27     } else {

28         LED_RED;

29     }

30

31     while (1) {

32

33     }

34 } 

23.4.3  下载验证

USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑,在电脑端打开串口调试助手,把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到EEPROM测试的调试信息。


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