STM32通信模拟I2C

Posted 2021-06-11 studying~

I2C：两线式串行总线，是一种是半双工通信方式，由飞利浦公司开发用于让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备。如今在嵌入式领域是非常常见通信协议，常用于MPU/MCU与外部设备连接通信、数据传输。

I²C由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过该地址来访问不同设备。因为I²C协议比较简单，常常用GPIO来模拟I²C时序，这种方法称为模拟I²C。如果使用MCU的I²C控制器，设置好I²C控制器, I²C控制器就自动实现协议时序，这种方式称为硬件I²C。因为I²C设备的速率比较低，通常两种方式都可以，模拟I²C方便移植，硬件I²C工作效率相对较高。

I2C协议
空闲状态
开始信号
停止信号
应答信号
数据的有效性
数据传输

1）空闲状态
I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。

2）开始信号与停止信号（是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号）
起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；
停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；

3）应答信号ACK
主机每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由从机反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示从机已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示从机接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，从机在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

4）数据有效性
I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。

5）数据的传送
在I2C总线上传送的每一"位"数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地"串行"传送每一位数据。

完整传输流程
I²C完整传输流程如下：
① SDA和SCL开始都为高，然后主机将SDA拉低，表示开始信号；

② 在接下来的8个时间周期（对应8个位）里，“主机控制SDA的高低，发送从机地址”。其中第8位如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输数据给从机；如果为1，表示接下来是读操作，即从机传输数据给主机；另外，数据传输是从最高位到最低位，因此传输方式为MSB（Most Significant Bit）。

③ 总线中对应从机地址的设备，发出应答信号；

④ 在接下来的8个时间周期里，如果是写操作，则主机控制SDA的高低；如果是读操作，则从机控制SDA的高低；

⑤ 每次传输完成一个字节的数据，接收数据的设备，都发出应答信号；

⑥ 最后，在SCL为高时，主机由低拉高SDA，表示停止信号，整个传输结束；

EEPROM ：是一种用于存放用户配置信息数据的”存储器“，比如在开发板首次运行时，需要屏幕校准，校准后的配置信息就可以保存在EEPROM里，开发板断电后配置信息不丢失，下次启动，开发板自动读取EEPROM的校准配置信息，就不需要重新校准。

EEPROM和Flash的本质上是一样的，但从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而EEPROM存放用户数据，可能会反复修改。

EEPROM类型众多，本开发板上的EEPROM型号为AT24C02，其存储容量为2K Bit，2*1024=2048Bit=256Byte。

设备地址
每个连接到I2C总线的设备都有一个独立的地址，不同容量的AT24C02，设备地址定义会有所差异，由芯片数据手册《AT24Cxx.pdf》可知，如图 19.1.7 所示。

AT24C02的容量为2K，对应上图中的第一行，高四位固定为“1010”，中间三位由A2、A1、A0引脚的电平决定，比如A2~0引脚全接地，则值为“000”，最后的最低位为读写位，0代表写命令，1代表读命令。

写AT24Cxx
如图 19.1.8 所示，为AT24Cxx字节写模式的时序，在MCU发出开始信号（Start）后，发出8 Bit的设备地址信息（图中读写位为低电平，即写数据），待收到AT24Cxx应答信号后，再发出要写的数据地址，再次等待AT24Cxx应答，最后发出8 Bit数据写数据，待AT24Cxx应答后，发出停止信号（Stop），完成一次单字节写数据。

读AT24Cxx
在随机地址读模式下，需要先发送设备地址，待读的数据地址，接着再重新发出开始信号，设备地址，读出数据，时序如图 19.1.13 所示。