STM32 硬件I2C外设

I2C 框图

通信引脚

输入的引脚有三个，SDA 数据传输引脚，SCL 时钟引脚， SMBA用于SMBUS警告，在 I2C 中并未用到。这些引脚实际对应的硬件引脚可以在 数据手册 的引脚定义中查到。这里小结如下:

引脚	I2C1	I2C2
SCL	PB6 / PB8(重映射)	PB10
SDA	PB7 / PB9(重映射)	PB11

时钟控制

时钟控制决定了 SCL 的时钟频率，决定了数据的传输速率。其对应的的寄存器是 CCR 可以配置 I2C的模式。

这个寄存器的15位确定 I2C 处于什么模式，11：0位具体配置频率。

这里 $T_{PCLK1}$ 是 APB1 的时钟，一般是 $36 M H z$ 。 $T_{high}$ 就是 SCL 高电平时间。

数据控制

发送数据，数据先被写入数据寄存器，移到数据移位寄存器，再一位一位交由数据控制从 SDA 端口发送出去。
而框图下面的比较器，是在STM32作为从机，主机呼叫时用于比较。再下面的地址寄存器用来储存自己的地址。PEC用于数据校验。

整体控制

控制寄存器 CR1 和 CR2 可以配置起始，复位，使能，应答，停止等功能。
状态寄存器的一些位在传输过程中会有置位和清零，便于判断传输过程中数据的状态。

STM32的通讯过程

通信过程中对应寄存器的置位与清零，在 零死角教程 的223页写的非常清楚，这里不再重复。

固件库编程

结构体

初始化结构体

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;       //配置时钟频率   

  uint16_t I2C_Mode;             //配置I2C模式  

  uint16_t I2C_DutyCycle;        //占空比   

  uint16_t I2C_OwnAddress1;      //配置STM32自己的地址
  uint16_t I2C_Ack;              //配置是否开启应答信号  

  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress;   //配置从机地址位数
}I2C_InitTypeDef;

时钟频率直接写入就好。
模式有I2C模式和SMBus模式。
占空比的两种配置差别不大
STM32自己的地址位数受限于 I2C_AcknowledgedAddress。这里OwnAddress1主要是为STM32为从机时准备的。
一般都要开启应答信号。
最后一个配置从机地址位数，需要和外设匹配。配置为多少为，发送地址信号时就会发送多少位。

固件库函数

I2C_Init 用于初始化I2C
I2C_Cmd用于使能I2C
I2C_GenerateSTART，I2C_GenerateSTOP用于产生起始和结束信号。
I2C_GetFlagStatus 获取标志位
I2C_Send7bitAddress，I2C_SendData 发送地址和数据
I2C_AcknowledgeConfig 应答信号控制，接受足够多的信号后，我们需要产生非应答信号，使用这个函数产生。

EEPROM

Electrically Erasable Programmable ROM，可电擦除ROM

电路图

其 SDA 和 SCL 引脚分别对应 PB7 和 PB6，正好对应了 I2C1 的两个端口。并且这两条线已经连接了上拉电阻了。下面的是引脚说明。

A0~A2 是地址引脚，不同的接法对应不同的地址。这个EEPROM有7位地址，其中高4位是1010，低3位是 A2A1A0,这里全接了地，所以EEPROM的地址就是1010000。
WP 是写保护，这里已经接地，即不使用写保护。

在说明书中也可看到，这个芯片是 2048 bit的，也就是有256个字节。（上面电路图中的 2kb 指 2k bit）。
在这里插入图片描述

读写说明

1.字写入

在这里插入图片描述

2.页写入

字写入的缺点是，每写入一个字就得再次发送从机地址和写入首地址。这里使用的EEPROM有片写入功能。如果写入的区域是连续的，那只需要发送一次从机地址和写入首地址，就可以连续写入。
在这里插入图片描述

3.当前地址写入

发送完器件地址后，直接写入，就会在上次操作地址的后面写入。

4.连续读取

同理，想要读取指定位置的数据，需要把指针先指向要操作的地址，因此要先用写操作指定读取地址。
在这里插入图片描述

开始编程

1.初始化GPIO

static void I2C_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_7;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
}

把GPIO配置为开漏模式，这样才符合I2C空闲时的高阻态要求。

2.初始化I2C外设

static void I2C_Config(void)
{
	I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1,ENABLE);
	
	I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed  = 400000;
	I2C_InitStruct.I2C_Mode        = I2C_Mode_I2C;
	I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle   = I2C_DutyCycle_2;
	I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0X0A;
	I2C_InitStruct.I2C_Ack         = I2C_Ack_Enable;
	I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
	
	I2C_Init(I2C1,&I2C_InitStruct);
	I2C_Cmd(I2C1,ENABLE);
}

配置速度为400k，stm32自己的地址可以随意配置，只要不和从机一样就可以。
把上面两个函数封装为一个便于管理。

void I2C_EEPROM_Config(void)
{
	I2C_GPIO_Config();
	I2C_Config();
}

3.编写发送函数

编写单字节写入函数

下面按照时序图编程。
在这里插入图片描述

#define EEPROM_ADDRESS 0xA0           //从机物理地址
uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t pBuffer ,uint8_t WriteAddr)
{
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);//起始信号
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);
										//配置7位地址并设置为写模式
	I2C_SendData(I2C1,WriteAddr);       //写入数据地址
	
	I2C_SendData(I2C1,pBuffer);         //写入数据
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C1,ENABLE);     //终止信号
	
	return 1;
	
}

这个函数完成在指定位置发送指定的一个字节的任务。因此，函数需要传入要写入的数据 pBuffer，和写入首地址 WriteAddr。
按照时序图，编写发送程序。
这里的代码是不完整的，需要加入检查。

编写检验错误的函数

EEPROM的读写耗时较久，而stm32的速度是较快的，因此编写程序时需要严格遵循时序，并且检测对应的标志位。为了保证传输过程中数据正确，我们编写一些DEBUG函数，用来打印日志。
为了打印日志，我们先编写一些宏，关于这些宏的具体用法，可以参考C语言宏定义拓展。
当等待超时可以调用这个函数提醒我们。注意要把 printf 重新定向到串口。

#define EEPROM_ERROR(fmt,arg...)          printf("<<-EEPROM-ERROR->> "fmt"\n",##arg)
static  uint32_t I2C_TIMEOUT_UserCallback(uint8_t errorCode)
{
  /* Block communication and all processes */
  EEPROM_ERROR("I2C 等待超时!errorCode = %d",errorCode);
  
  return 0;
}

我们检验错误的主要思想是检验对应标志位是否置位，如果超出时间，我们就用上面的代码报错。而时间的判断我们下面使用while循环来判断，每次循环检查一次标志位，并且把时间值减1，当时间为0时报错。
因为这个时间值是一直被循环又不断被赋予新的值的，我们需要用 volatile 来避免其被优化。在固件库中 volatile 被定义为 __IO 。

//宏定义两个值，以便挑选
#define I2CT_FLAG_TIMEOUT         ((uint32_t)0x1000)
#define I2CT_LONG_TIMEOUT         ((uint32_t)(10 * I2CT_FLAG_TIMEOUT))
static __IO uint32_t  I2CTimeout   //把这个值作为循环

相应的置位已经被总结为事件，固件库中也有检测事件的函数，对不同的事件进行不同的编写，如检测事件5（EV5）的程序如下：

//EV5
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) == ERROR)
{
	I2CTimeout--;
	if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);
}

I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT 即为对应的事件5（EV5）。由此我们把上面的代码都加上检测的代码。

完整的字节写入

就是在每次操作后加入检测事件环节。

uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t pBuffer ,uint8_t WriteAddr)
{
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);
	//EV5
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);
	}
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);
	//EV6
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(1);
	}
	
	I2C_SendData(I2C1,WriteAddr);
	//EV8_2
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(2);
	}
/**************************Sent Data*******************************/
	I2C_SendData(I2C1,pBuffer);
	//EV8_2
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
	}
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C1,ENABLE);
	return 1;
}

连续页写入

连续写入就是在发送完第一个数据后，继续发送数据而不是发送结束信号。因此只需要把上述代码中最后 Sent Data 部分替换为循环即可。
为了完成循环，需要增加一个传入参数 NumByteToWrite 表示要发送的数据个数，并且把 pBuffer 改为数组，以便发送。
这里只给出Sent Data 部分代码。

for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)
	{
		I2C_SendData(I2C1,pBuffer[i]);
		//EV8_2
		I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
		while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) == ERROR)
		{
			I2CTimeout--;
			if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
		}
	}

4.编写读取函数

整体过程

依然是按照时序图编写程序。为了简便起见，这里没有写事件检测。
在这里插入图片描述

uint32_t I2C_EE_PageRead(uint8_t* pBuffer,uint8_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)
{
	uint8_t i =0;
/******************************* START1 *********************************/	
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);
	
	I2C_SendData(I2C1,ReadAddr);
/******************************* START2 ***********************************/	
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Receiver);
	
/**************************Receive Data*******************************/
	for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
	{
		if(i == NumByteToRead-1) 	I2C_AcknowledgeConfig(I2C1,DISABLE);
		*pBuffer = I2C_ReceiveData(I2C1);
		pBuffer++;
	}
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C1,ENABLE);
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C1,ENABLE);
	return 1;
}

接收的时序更加复杂，一开始发送从机地址和储存地址和写入过程一致。但完成这些后，要重新以读取的模式是发送从机地址。
完成这些就进入接收数据 Receive Data 部分了。使用循环来接收数据。
时序图中表明，在接收完最后一个数据后，产生非应答信号（就是不用应答），再产生结束信号即可结束。
初始化时已经配置，每次接收数据后自动应答。因此，在接收循环中，接收最后一次数据前，使用 I2C_AcknowledgeConfig 关闭应答。
完成接收，产生结束信号。并且再次开启自动应答，以便再次使用 I2C。

完整的读取

为读取过程加入事件检测，并且在读取前判断I2C是否正忙。
在这里插入图片描述

uint32_t I2C_EE_PageRead(uint8_t* pBuffer
								,uint8_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)
{
	uint8_t i =0;
/*****************************Judge wheather I2C is busy***********************/
	I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
	while(I2C_GetFlagStatus(I2C1,I2C_FLAG_BUSY))
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);

	}
/******************************* START1 ***********************************/	
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);
	//EV5
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);

	}
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);
	//EV6
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(1);

	}
	
	I2C_SendData(I2C1,ReadAddr);
	//EV8_2
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
	}
/******************************* START2 ***********************************/		
	I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);
	//EV5
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);

	}
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C1,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Receiver);
	//EV6
	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
	while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) == ERROR)
	{
		I2CTimeout--;
		if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(1);

	}
/**********************************Receive Data*********************************/
	for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
	{
		if(i == NumByteToRead-1) 	I2C_AcknowledgeConfig(I2C1,DISABLE);
		*pBuffer = I2C_ReceiveData(I2C1);
		I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;      //EV7
		while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) == ERROR)
		{
			I2CTimeout--;
			if(I2CTimeout == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);

		}
		pBuffer++;
	}


	I2C_GenerateSTOP(I2C1,ENABLE);
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C1,ENABLE);
	return 1;
}

这里需要注意的是，第一次起始的过程 START1 和写入过程一致，因此要检测 EV5 , EV6 , EV8_2 这些事件。完成第一起始后；从第二次起始 START2 开始，就和框图一样了。

5.完成代码

完成上面的代码后，我们就已经完成了对 EEPROM 的读和写了。下面在main函数中调用这些函数，实现功能。

uint8_t I2C_Data_Write[200];
uint8_t I2C_Data_Read[200];
void Text()
{
	uint8_t i=0;
	for(i=0;i<200;i++)
	{
		I2C_Data_Write[i] = i;
	}
	I2C_EE_PageWrite(I2C_Data_Write,0X00,200);																					
	EEPROM_INFO("已完成写入数据");
	
	EEPROM_INFO("开始读取");	
	I2C_EE_PageRead(I2C_Data_Read,0X00,200);

	
	EEPROM_INFO("完成读操作，正在打印");
	for(i=0;i<200;i++)
	{
		printf("0x%02x ",I2C_Data_Read[i]);
	}
	
	EEPROM_INFO("读写已全部完成");
	
}

int main(void)
{
	LED_GPIO_Config();	
	USART_Config();
	I2C_EEPROM_Config();
	
	LED_B(ON);
	Text();
	LED_B(OFF);
	LED_G(ON);
}