「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第二十三章 IIC 实验

1）实验平台：alientek NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十三章 IIC 实验
本章我们将向大家介绍如何利用 STM32F4 的普通 IO 口模拟 IIC 时序，并实现和 24C02 之间的双向通信。在本章中，我们将利用 STM32F4 的普通 IO 口模拟 IIC 时序，来实现 24C02 的读写，并将结果打印在串口上。本章分为如下几个部分：
23.1 IIC 简介
23.2 硬件设计
23.3 软件设计
23.4 下载验证
23.1 IIC 简介
IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 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。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
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。IIC 总线时序图如图 23.1.1 所示：

ALIENTEK NANO STM32F4 板载的 EEPROM 芯片型号为 24C02。该芯片的总容量是 256个字节，该芯片通过 IIC 总线与外部连接，我们本章就通过 STM32F1 来实现 24C02 的读写。目前大部分 MCU 都带有 IIC 总线接口，STM32F1 也不例外。但是这里我们不使用 STM32F1
的硬件 IIC 来读写 24C02，而是通过软件模拟。ST 为了规避飞利浦 IIC 专利问题，将 STM32的硬件 IIC 设计的比较复杂，而且稳定性不怎么好，所以这里我们不推荐使用。有兴趣的读者
可以研究一下 STM32F1 的硬件 IIC。
用软件模拟 IIC，最大的好处就是方便移植，同一个代码兼容所有 MCU，任何一个单片机只要有 IO 口，就可以很快的移植过去，而且不需要特定的 IO 口。而硬件 IIC，则换一款 MCU，基本上就得重新搞一次，移植是比较麻烦的，这也是我们推荐使用软件模拟 IIC 的另外一个原
因。
本章实验功能简介：开机的时候先检测 24C02 是否存在，然后在主循环里面检测两个按键，
其中 1 个按键（KEY_UP）用来执行写入 24C02 的操作，另外一个按键（KEY1）用来执行读
出操作，DS2 提示读写状态，在串口调试助手上打印显示相关信息。同时用 DS0 提示程序正在
运行。
23.2 硬件设计
本章需要用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0、DS2
2） KEY_UP 和 KEY1 按键
3） 串口（打印输出和 USMART 使用）
4） 24C02
前面 4 部分的资源，我们前面已经介绍了，请大家参考相关章节。这里只介绍 24C02 与
STM32 的连接，24C02 的 SCL 和 SDA 分别连在 STM32 的 PB6 和 PB7 上的，连接关系如图
23.2.1 所示：

23.3 软件设计
打开 IIC 实验工程，我们可以看到工程中加入了两个源文件分别是 myiic.c 和 24cxx.c，
myiic.c 文件存放 iic 驱动代码，24cxx.c 文件存放 24C02 驱动代码：
打开 myiic.c 文件，代码如下：
//IIC 初始化
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//使能 GPIOB 时钟
//PB6,7 初始化设置
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;
//上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
}
//产生 IIC 起始信号
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
//sda 线输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(4);
IIC_SCL=0;//钳住 I2C 总线，准备发送或接收数据
}
//产生 IIC 停止信号
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();//sda 线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;//发送 I2C 总线结束信号
delay_us(4);
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//
0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrtime=0;
SDA_IN();
//SDA 设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出 0
return 0;
}
//产生 ACK 应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//不产生 ACK 应答
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//IIC 发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
txd<<=1;
delay_us(2);
//对 TEA5767 这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
//读 1 个字节，ack=1 时，发送 ACK，ack=0，发送 nACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA 设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送 nACK
else
IIC_Ack(); //发送 ACK
return receive;
}
该部分为 IIC 驱动代码，实现包括 IIC 的初始化（IO 口）、IIC 开始、IIC 结束、ACK、IIC
读写等功能，在其他函数里面，只需要调用相关的 IIC 函数就可以和外部 IIC 器件通信了，这
里并不局限于 24C02，该段代码可以用在任何 IIC 设备上。
打开 myiic.h 头文件可以看到，我们除了函数声明之外，还定义了几个宏定义标识符：
#define SDA_IN() {GPIOB->MODER&=~(3<<(7*2));GPIOB->MODER|=0<<7*2;}
//PB7 输入模式
#define SDA_OUT() {GPIOB->MODER&=~(3<<(7*2));GPIOB->MODER|=1<<7*2;}
//PB7 输出模式
//IO 操作
#define IIC_SCL
PBout(6) //SCL
#define IIC_SDA
PBout(7) //SDA
#define READ_SDA
PBin(7) //输入 SDA
该部分代码的 SDA_IN()和 SDA_OUT()分别用于设置 IIC_SDA 接口为输入和输出，如果这
两句代码看不懂，请好好温习下 IO 口的使用相关寄存器。其他几个宏定义就是我们通过位带
实现 IO 口操作。
接下来我们看看 24cxx.c 文件代码：
#include "24cxx.h"
#include "delay.h"
//初始化 IIC 接口
void AT24CXX_Init(void)
{
IIC_Init();
}
//在 AT24CXX 指定地址读出一个数据
//ReadAddr:开始读数的地址
//返回值 :读到的数据
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{
u8 temp=0;
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0);
//发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);
//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1));
//发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr%256);
//发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA1);
//进入接收模式
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();
//产生一个停止条件
return temp;
}
//在 AT24CXX 指定地址写入一个数据
//WriteAddr :写入数据的目的地址
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0);
//发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1)); //发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr%256);
//发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite);
//发送字节
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();
//产生一个停止条件
delay_ms(10);
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始写入长度为 Len 的数据
//该函数用于写入 16bit 或者 32bit 的数据.
//WriteAddr :开始写入的地址
//DataToWrite:数据数组首地址
//Len
:要写入数据的长度 2,4
void AT24CXX_WriteLenByte(u16 WriteAddr,u32 DataToWrite,u8 Len)
{ u8 t;
for(t=0;t {
AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);
}
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始读出长度为 Len 的数据
//该函数用于读出 16bit 或者 32bit 的数据.
//ReadAddr
:开始读出的地址
//返回值
:数据
//Len
:要读出数据的长度 2,4
u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 ReadAddr,u8 Len)
{
u8 t;
u32 temp=0;
for(t=0;t {
temp<<=8;
temp+=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1);
}
return temp;
}
//检查 AT24CXX 是否正常
//这里用了 24XX 的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他 24C 系列,这个地址要修改
//返回 1:检测失败
//返回 0:检测成功
u8 AT24CXX_Check(void)
{
u8 temp;
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
//避免每次开机都写 AT24CXX
if(temp==0X55)return 0;
else
//排除第一次初始化的情况
{
AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
if(temp==0X55)return 0;
}
return 1;
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始读出指定个数的数据
//ReadAddr :开始读出的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer :数据数组首地址
//NumToRead:要读出数据的个数
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead)
{
while(NumToRead)
{
*pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);
NumToRead--;
}
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始写入指定个数的数据
//WriteAddr :开始写入的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer
:数据数组首地址
//NumToWrite:要写入数据的个数
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{
while(NumToWrite--)
{
AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
WriteAddr++;
pBuffer++;
}
}
这部分代码实际就是通过 IIC 接口来操作 24Cxx 芯片，理论上是可以支持 24Cxx 所有系列
的芯片的（地址引脚必须都设置为 0），但是我们测试只测试了 24C02，其他器件有待测试。
大家也可以验证一下，24CXX 的型号定义在 24cxx.h 文件里面，通过 EE_TYPE 设置。
最后，我们在 main 函数里面编写应用代码，main 函数如下：
//要写入到 24c02 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"NANO STM32 IIC TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
u8 key;
u16 i=0;
u8 datatemp[SIZE];
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//设置时钟,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口 115200
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//按键初始化
AT24CXX_Init();
//IIC 初始化
usmart_dev.init(96);
//初始化 USMART
printf("NANO STM32rn");
printf("IIC TESTrn");
while(AT24CXX_Check())//检测不到 24c02
{
printf("24C02 Check Failed!rn");
delay_ms(500);
printf("Please Check!rn");
delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
printf("24C02 Ready!rn");
printf("WK_UP:Write KEY1:Readrn");//显示提示信息
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==WKUP_PRES)//WK_UP 按下,写入 24C02
{
LED2=0;
printf("rnStart Write 24C02....rn");
AT24CXX_Write(0,(u8*)TEXT_Buffer,SIZE);
printf("24C02 Write Finished!rn");//提示传送完成
LED2=1;
}
if(key==KEY1_PRES)//KEY1 按下,读取字符串并显示
{
LED2=0;
printf("rnStart Read 24C02....rn");
AT24CXX_Read(0,datatemp,SIZE);
printf("The Data Readed Is:rn");//提示传送完成
printf("%srn",datatemp);//显示读到的字符串
LED2=1;
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20)
{
LED0=!LED0;//提示系统正在运行
i=0;
}
}
}
该段代码，我们通过 KEY_UP 按键来控制 24C02 的写入，通过另外一个按键 KEY1 来控
制 24C02 的读取。并在串口调试助手上面打印显示相关信息。
最后，我们将 AT24CXX_WriteOneByte 和 AT24CXX_ReadOneByte 函数加入 USMART 控
制，这样，我们就可以通过串口调试助手，读写任何一个 24C02 的地址，方便测试。
至此，我们的软件设计部分就结束了。
23.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们打开串口调试助手，下载代码到 ALIENTEK NANO STM32F4
上，通过先按 KEY_UP 按键写入数据，然后按 KEY1 读取数据，得到如图 23.4.1 所示：

图 23.4.1 程序运行效果图

在 IIC 读和写过程中 DS2 会闪烁，同时 DS0 也会不停的闪烁，提示程序正在运行。程序在
开机的时候会检测 24C02 是否存在，如果不存在则会在串口调试助手上显示错误信息，同时
DS0 慢闪。
USMART 测试 24C02 的任意地址（地址范围：0~255）读写如图 23.4.2 所示：

图 23.4.2 USMART 控制 24C02 读写