理论教育 基于STM32物联网实践:IIC协议应用

基于STM32物联网实践:IIC协议应用

时间:2023-11-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:①I2C通信双方地位不对等,通信由主设备发起,并主导传输过程,从设备按I2C协议接收主设备发送的数据,并及时给出响应。②主设备、从设备由通信双方决定,既能当主设备,也能当从设备。图5.18I2C总线多主设备结构通信特征:串行、同步、非差分、低速率。图5.19I2C总线通信起始与停止条件数据格式与应答。

基于STM32物联网实践:IIC协议应用

I2C是Inter-Integrated Circuit的简称,读作:I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出,为了让主板嵌入式系统或手机用以连接周边外部低速设备而发展。主要应用在SOC和周边外设间的通信(如EEPROM、电容触摸芯片、各种Sensor等)。

1.IIC协议概述

(1)物理接口。I2C总线只使用两条双向漏极开路的信号线(串行数据线SDA及串行时钟线SCL),并利用电阻上拉。I2C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线,就实现了设备间的数据交互,极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用。I2C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD及其他芯片的接口。I2C允许相当大的工作电压范围,典型的电压基准为:+3.3V或+5V。

SCL(Serial Clock):串行时钟线,传输CLK信号,一般是主设备向从设备提供。

SDA(Serial Data):串行数据线,传输通信数据。

I2C使用一个7bit的设备地址,一组总线最多和112个节点通信。最大通信数量受限于地址空间及400pF的总线电容。

常见的I2C总线以传输速率的不同分为不同的模式:标准模式(100Kbit/s)、低速模式(10Kbit/s)、快速模式(400Kbit/s)、高速模式(3.4Mbit/s)。时钟频率可以被下降到零,即暂停通信。

该总线是一种多主控总线,即可以在总线上放置多个主设备节点,在停止位(P)发出后,即通信结束后,主设备节点可以成为从设备节点。

主设备节点:产生时钟并发起通信的设备节点。

从设备节点:接收时钟并响应主设备节点寻址的设备节点。

①I2C通信双方地位不对等,通信由主设备发起,并主导传输过程,从设备按I2C协议接收主设备发送的数据,并及时给出响应。

②主设备、从设备由通信双方决定(I2C协议本身无规定),既能当主设备,也能当从设备(需要软件进行配置)。

③主设备负责调度总线,决定某一时刻和哪个从设备通信。同一时刻,I2C总线上只能有一对主设备、从设备通信。

④每个I2C从设备在I2C总线通信中有一个I2C从设备地址。该地址唯一,是从设备的固有属性,通信中主设备通过从设备地址来找到从设备。

I2C总线多主设备结构如图5.18所示。

图5.18 I2C总线多主设备结构

(2)通信特征:串行、同步、非差分、低速率。

①串行通信,所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输。

②同步通信,即双方工作在同一个时钟下,一般是通信的A方通过一根CLK信号线,将A设备的时钟传输到B设备,B设备在A设备传输的时钟下工作。同步通信的特征是:通信线中有CLK。

③非差分,I2C通信速率不高,且通信距离近,使用电平信号通信。

④低速率,I2C一般是同一个板子上的两个IC芯片间通信,数据量不大,速率低。速率:几百千赫兹,速率可能不同,不能超过IC的最高速率。

(3)I2C总线状态:I2C总线上有两种状态。

①空闲态:没有设备发生通信。

②忙态:其中一个从设备和主设备通信,I2C总线被占用,其他从设备处于等待状态。

2.I2C总线通信协议

时序:在通信中的时序是通信线上按时间顺序发生的电平变化,及这些电平变化对通信的意义。

每个通信周期都由一个起始位开始通信,由一个结束位结束通信,中间部分是传递的数据。

每个通信周期,主设备会先发8位的从设备地址(从设备地址由高7位的实际从设备地址和低1位的读/写标志位组成),主设备以广播的形式发送从设备地址。I2C总线上的所有从设备收到地址后,判断从设备地址是否匹配,不匹配的从设备继续等待,匹配的设备发出一个应答信号。

同一时刻,主设备、从设备只能有一个设备发送数据。(www.daowen.com)

(1)起始位和结束位。I2C总线通信由起始位开始通信,由结束位停止通信,并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出,如图5.19所示。

起始位(S):在SCL为高电平时,SDA由高电平变为低电平。

结束位(P):在SCL为高电平时,SDA由低电平变为高电平。

图5.19 I2C总线通信起始与停止条件

(2)数据格式与应答。I2C数据以字节(即8bits)为单位传输,每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。

应答(ACK):拉低SDA线,并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平。

非应答(NOACK):不要拉低SDA线(此时SDA线为高电平),并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平。

在传输期间,如果从设备来不及处理主设备发送的数据,从设备会保持SCL线为低电平,强迫主设备等待从设备释放SCL线,直到从设备处理完后,释放SCL线,接着进行数据传输。如图5.20所示。

图5.20 I2C数据格式与应答

(3)数据传输通信。

①写数据。开始数据传输后,先发送一个起始位(S),主设备发送一个地址数据(由7bit的从设备地址和最低位的写标志位组成的8bit字节数据,该读写标志位决定数据的传输方向),然后,主设备释放SDA线,并等待从设备的应答信号(ACK)。每一个字节数据的传输都要跟一个应答信号位。数据传输以停止位(P)结束,并且释放I2C总线。

②读数据。开始通信时,主设备先发送一个起始信号(S),主设备发送一个地址数据(由7bit的从设备地址和最低位的写标志位组成的8bit字节数据);然后,主设备释放SDA线,并等待从设备的应答信号(ACK),从设备应答主设备后,主设备再发送要读取的寄存器地址;从设备应答主设备(ACK),主设备再次发送起始信号(Sr),主设备发送设备地址(包含读标志),从设备应答主设备,并将该寄存器的值发送给主设备。

③读取单字节数据:主设备要读取的数据,如果是只有一个字节的数值,就要结束应答,主设备要先发送一个非应答信号(NOACK),再发送结束信号(P)。

④读取多字节数据:主设备要读取的数据,如果是大于一个字节的多个数据,就发送ACK应答信号(ACK),而不是非应答信号(NOACK),然后主设备再次接收从设备发送的数据。依此类推,直到主设备读取的数值是最后一个字节数据后,需要主设备给从设备发送非应答信号(NOACK),再发送结束信号(P),结束I2C通信,并释放I2C总线,如图5.21所示。

图5.21 I2C读取多字节数据

注意:所有的数据传输过程中,SDA线的电平变化必须在SCL为低电平时进行,SDA线的电平在SCL线为高电平时要保持稳定不变。

3.I2C编程

I2C总线的特征和总线协议,具体的编程实现方法有两种。

①I2C总线协议的软件模拟实现方法,根据I2C时序图来编写。

②具有I2C接口的MCU,使用I2C库函数的方法实现。

STM32F10x系列单片机I2C库函数保存在stm32f10x_i2c.c文件中,头文件为stm32f10x_i2c.h,定义的函数如表5.4所示。

表5.4 I2C库函数

续表

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