物联网ARM开发-1协议I2C

前言： I2C主要在服务应用在管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。

目录

一、I2C总线通信原理

1、I2C总线简介

2、I2C总线物理·拓扑结构

3、I2C协议规定的开始信号、结束信号和应答信号

4、数据传输

5、STM32F4-I2C控制器特性

6、框图

二、EEPROM（24CXX）存储芯片介绍

1、EEPRROM简介

2、本芯片AT24C02芯片简介

（1）设备地址

（2） 硬件和原理图

（3）读写时序（根据AT24C02芯片手册内容）

三、2IC读写EEPROM实例HAL库版本

1、实验要求：实现主机与EEPROM（24C02）双向通信。

2、硬件原理图分析

3、cubmx配置

4、编程思路

5、实验效果

四、2IC读写EEPROM实例软件模拟设计

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一、I2C总线通信原理

1、I2C总线简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线（也称IIC或I2C）是由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，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，期间封装形式少，通信速率高等优点。

• 两条总线线路：一条串行数据SDA，一条串行时钟线SCL来完成数据的传输及外围器件的扩展
• I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址
• I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
• I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行单双工的数据传输。

 

2、I2C总线物理·拓扑结构

I2C 总线在物理连接上分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

3、I2C协议规定的开始信号、结束信号和应答信号

总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。

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。

4、数据传输

 

•  主设备往从设备写数据 （W0）

•   主设备读从设备数据 （R1）

5、STM32F4-I2C控制器特性

软件模拟I2C时序
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。

硬件控制产生I2C时序
STM32 的 I2C 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。

6、框图

I2C的主要特点
● I2C总线规范 rev03 兼容性：
－ 从机模式和主机模式
－ 多主机功能－ 标准模式（高达 100kHz ）
－ 快速模式（高达 400kHz ）
－ 超快速模式（高达 1 MHz ）
－ 7 位和 10 位地址模式
－ 软件复位
● 1 字节缓冲带 DMA 功能

STM32F4-I2C通讯引脚：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。

 

二、EEPROM（24CXX）存储芯片介绍

1、EEPRROM简介

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)，带电可擦可编程只读存储器--一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。       
EEPROM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 I 2 C 协议
AT24XX芯片容量    XX表示：01、02、04、16、32、64、…..    单位： Kbit

2、本芯片AT24C02芯片简介

AT24C02是一个2K位串行CMOS，内部含有256个字节，此芯片具有I2C通讯接口，芯片内保存的数据在掉电的情况下不丢失（EEPROM），常用于存放比较重要的数据。本实验使用的是SOP-8封装的AT24C02芯片，其引脚说明见下图

（1）设备地址

24CXX的设备地址：       
24CXX的设备地址为7位：      
高4位恒定为 1010      
低3位取决于A0-A2的电平状态
注：一般主机在读写24CXX都是把设备地址连同读写位组合成一个字节一起发送

（2） 硬件和原理图

 

（3）读写时序（根据AT24C02芯片手册内容）

一个写操作需要8位数据字的地址，跟随着设备地址和响应位。一旦收到地址，EEPROM会再次响应0，然后输入第一个8位数据字。在接收到8位数据字后，EEPROM将输出一个“0”，寻址设备(如微控制器)必须以停止条件终止写序列。

随机读需要一个“空”字节写序列来加载数据字地址。一旦设备地址字和数据字地址被输入并被EEPROM确认，微控制器必须生成另一个启动条件。微控制器通过发送一个设备地址和读写标志位选择1，来启动当前地址的读取。EEPROM确认设备地址并串行输出数据字。 微控制器不响应“0”，但会产生停止条件

 AT24C02芯片的器件地址为7位，高4位固定为1010，低3位有上表中的A0/A1/A2引脚的电平决定，还有一位（最低位R/W）用来选择读写方向。本实验中A0/A1/A2引脚接在GND上了，因此器件地址为1010000；加上最低位的读写方向位后，写器件地址为10100000（0xA0），读器件地址为10100001（0xA1）

SCL:串行时钟，SDA:串行数据I/O

 

 

三、2IC读写EEPROM实例HAL库版本

1、实验要求：实现主机与EEPROM（24C02）双向通信。

2、硬件原理图分析

 

IIC的时钟线和数据线对应PB8、PB9

3、cubmx配置

开始168mhz时钟，串口通信，IIC外部管脚配置

 

主从地址必须在0到127之间，我们这边只有一个设备所以是0。生产工程打开keil。

4、编程思路

实现一个写函数、一个读函数，在主程序中写入EEPROM并从EEPROMN读出来打印

我们使用到两个HAL库函数 

代码中注意我们的EEPROM是8字节使用I2C_MEMADD_SIZE_8BIT

int fputc(int ch,FILE *p)
{
	while(!(USART1->SR & (1<<7)));
	USART1->DR = (uint8_t) ch;
	return ch;
}
 
#define  WriteAddr 0xA0
#define  ReadAddr  0xA1
 
uint8_t Wbuf[20] = "EEPROM TEST OK!";
uint8_t Rbuf[20] = {0};
 
/********* 24c02 写数据函数 *****************
  * @brief  
  * @param  MemAddr 起始位置
  * @param  数据存储区
  * @param  数据长度
********* 24c02 写数据函数 ******************/
void EEPROM_Write(uint16_t MemAddr,uint8_t *Wbuf, uint16_t len)
{
	while(len--)
	{
		while(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, WriteAddr, MemAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, Wbuf,1,100) != HAL_OK){};
		MemAddr++;
		Wbuf++;
	}
}
 
/********* 24c02 读数据函数 *****************
  * @brief  
  * @param  MemAddr 起始位置
  * @param  数据存储区
  * @param  数据长度
********* 24c02 读数据函数 ******************/
void EEPROM_Read(uint16_t MemAddr,uint8_t *Rbuf, uint16_t len)
{
		while(HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ReadAddr, MemAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, Rbuf,len,100) != HAL_OK){};
}
 
 
/* USER CODE END 0 */
 
/**
  * @brief  The application entry point.
  *
  * @retval None
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
 
  /* USER CODE END 1 */
 
  /* MCU Configuration----------------------------------------------------------*/
 
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
 
  /* USER CODE BEGIN Init */
 
  /* USER CODE END Init */
 
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
 
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
 
  /* USER CODE END SysInit */
 
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	printf("II2C test\r\n");
	EEPROM_Write(0,Wbuf,sizeof(Wbuf));
	HAL_Delay(500);
	EEPROM_Read(0,Rbuf,sizeof(Rbuf));
	printf("%s",Rbuf);
	
  /* USER CODE END 2 */
 
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
 
  /* USER CODE END WHILE */
 
  /* USER CODE BEGIN 3 */
 
  }
  /* USER CODE END 3 */
 
}

5、实验效果

四、2IC读写EEPROM实例软件模拟设计