STM32_HAL_I2C_串行接口

电气特性

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种由飞利浦公司（现恩智浦半导体）开发的串行通信协议，用于连接低速外围设备。I2C总线只需要两根线（SDA：串行数据线，SCL：串行时钟线）就可以实现多个设备之间的数据交换。以下是I2C的主要电气特性：

  1. 两线接口：

    • SDA（Serial Data Line）：用于传输数据。（数据线）
    • SCL（Serial Clock Line）：用于同步数据传输。（时钟线）

  2. 多主从结构：

    • I2C总线支持多个主设备和一个或多个从设备。在任何时刻，只有一个主设备控制总线。（不能同时存在多个主设备）

  3. 地址编码：

    • 每个从设备都有唯一的7位或10位地址，主设备通过地址来选择要通信的从设备。

  4. 时钟同步：

    • I2C总线上的所有设备都同步于SCL线上的时钟信号。时钟线由主设备控制。

  5. 数据传输速率：

    • 标准模式下，时钟频率可达100 kHz。
    • 快速模式下，时钟频率可达400 kHz。
    • 高速模式下，时钟频率可达3.4 MHz。

  6. 起始和停止条件：

    • 数据传输开始于起始条件，结束于停止条件。起始条件是SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变；停止条件是SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变。

  7. 数据有效性：

    • 数据在SCL为高电平时保持稳定，在SCL为低电平时改变。

  8. 位的表示：

    • I2C使用8位数据传输，每次传输可以是一个字节（8位），也可以是多个字节。

  9. 确认（ACK/NACK）：

    • 每个字节传输后，接收方会通过驱动SDA线至低电平来发送一个确认位（ACK），或者通过不驱动SDA线（保持高电平）来发送一个非确认位（NACK）。

协议

I²C写操作的详细步骤：

  1. 起始条件：主设备通过将SDA线从高电平拉到低电平，同时保持SCL为高电平，然后释放SCL，使其变为低电平，从而产生起始条件。总线在起始条件后处于忙碌状态。

  2. 发送从设备地址：主设备发送从设备的7位或10位地址，后面跟着一个写操作位（即最低位为0）。所有从设备都会接收这个地址，但只有地址匹配的从设备会响应。

  3. 从设备响应：地址匹配的从设备会发送一个确认（ACK）信号，即在第9个时钟周期时，从设备将SDA线拉低。

  4. 发送数据：主设备开始发送数据字节，每个字节后面都跟着一个时钟周期，用于从设备发送ACK信号。主设备可以发送多个字节，直到发送完所有需要的数据。

  5. 停止条件：当主设备发送完所有数据后，它会发出停止条件，即将SDA线从低电平拉到高电平，同时保持SCL为高电平，然后释放SDA线。

  6. 从设备处理数据：从设备在接收到停止条件后，会处理这些数据，例如存储到内部寄存器或EEPROM中。

以下是I²C写过程的时序图表示：

起始条件 -> [设备地址 + W] -> ACK -> [数据1] -> ACK -> [数据2] -> ACK -> ... -> [数据N] -> ACK -> 停止条件

-> 表示时间流动，[] 表示数据字节，R 表示读操作位，ACK 表示主设备发送的确认信号，NACK 表示主设备发送的否定确认信号。

I²C读操作的详细步骤：

  1. 起始条件：主设备通过将SDA线从高电平拉到低电平，同时保持SCL为高电平，然后释放SCL，使其变为低电平，从而产生起始条件。总线在起始条件后处于忙碌状态。

  2. 发送从设备地址：主设备发送从设备的7位或10位地址，后面跟着一个读操作位（即最低位为1）。所有从设备都会接收这个地址，但只有地址匹配的从设备会响应。

  3. 从设备响应：地址匹配的从设备会发送一个确认（ACK）信号，即在第9个时钟周期时，从设备将SDA线拉低。

  4. 读取数据：从设备开始发送数据字节，主设备在每个字节后面通过发送ACK信号来请求更多的数据，或者通过发送NACK信号来结束读取过程。

  5. 停止条件：当主设备完成数据读取后，它会发出停止条件，即将SDA线从低电平拉到高电平，同时保持SCL为高电平，然后释放SDA线。

  6. 主设备处理数据：主设备接收到数据后，可以根据需要进行处理或存储。

以下是I²C读过程的时序图表示：

起始条件 -> [设备地址 + R] -> ACK -> [数据1] -> ACK -> [数据2] -> ACK -> ... -> [数据N] -> NACK -> 停止条件

-> 表示时间流动，[] 表示数据字节，R 表示读操作位，ACK 表示主设备发送的确认信号，NACK 表示主设备发送的否定确认信号。

I 2 C的功能框图

STM32CudeMX 

  • Master  features  主模式特性

  • Slave  features  从模式特性

  1. Byte：

    • 一个字节（Byte）通常包含8位（bit），这是计算机中最小的可寻址的存储单元。
    • 字节是大多数计算机体系结构中的基本数据单位，用于表示字符、数字和其他数据类型。
    • 在不同的上下文中，字节可以表示不同的含义，例如在数据通信中，它通常指的是传输的一个数据单元。

  2. Half Word：

    • 半字（Half Word）通常包含16位（bit），即2个字节。
    • 在16位或更宽的处理器中，半字可能是处理器可以同时处理的数据单位之一。
    • 在一些编程语言和操作系统中，半字用于指定数据类型的大小，例如短整型（short）在某些体系结构上可能是16位的。

  3. Word：

    • 一个字（Word）的大小取决于具体的处理器架构，但通常是16位、32位或64位。
    • 在32位处理器中，一个字通常是32位，即4个字节。
    • 在64位处理器中，一个字可能是64位，即8个字节。
    • 字是许多处理器的主要数据单位，用于表示整数、指针和内存地址。

有哪些函数

  1. 初始化和去初始化：

    • HAL_I2C_Init()：初始化I2C外设。
    • HAL_I2C_DeInit()：去初始化I2C外设。

  2. 配置：

    • HAL_I2C_Config()：配置I2C的一些参数，如时钟速度、地址等。

  3. 数据传输：

    • HAL_I2C_Master_Transmit()：作为主设备发送数据到从设备。
    • HAL_I2C_Master_Receive()：作为主设备从从设备接收数据。
    • HAL_I2C_Slave_Transmit()：作为从设备发送数据到主设备。
    • HAL_I2C_Slave_Receive()：作为从设备从主设备接收数据。

  4. 状态和错误处理：

    • HAL_I2C_GetState()：获取I2C外设的当前状态。
    • HAL_I2C_GetError()：获取I2C的错误代码。

  5. 中断处理：

    • HAL_I2C_IRQHandler()：I2C中断处理函数。
    • HAL_I2C_MasterTxCpltCallback()：主设备发送完成回调函数。
    • HAL_I2C_MasterRxCpltCallback()：主设备接收完成回调函数。
    • HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback()：从设备发送完成回调函数。
    • HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback()：从设备接收完成回调函数。

  6. 其他功能：

    • HAL_I2C_IsDeviceReady()：检查指定地址的从设备是否就绪。
    • HAL_I2C_Mem_Write()：向从设备的内存写入数据。
    • HAL_I2C_Mem_Read()：从从设备的内存读取数据。

代码编写

检查指定地址的从设备是否就绪。

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* @file           : main.c* @brief          : Main program body******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2024 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes *//* USER CODE END Includes *//* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD *//* USER CODE END PTD *//* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD *//* USER CODE END PD *//* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM *//* USER CODE END PM *//* Private variables ---------------------------------------------------------*//* USER CODE BEGIN PV *//* USER CODE END PV *//* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP *//* USER CODE END PFP *//* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 *//* USER CODE END 0 *//*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
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_DMA_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */
char I2c_Data[9]={"AA"};/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){if(HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1,0x78,2,500)==HAL_OK){HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)I2c_Data,9,1000);}else{char a[]={"null"};HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)a,5,1000);}/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}/*** @brief System Clock Configuration* @retval None*/
void SystemClock_Config(void)
{RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters* in the RCC_OscInitTypeDef structure.*/RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK){Error_Handler();}/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks*/RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK){Error_Handler();}
}/* USER CODE BEGIN 4 *//* USER CODE END 4 *//*** @brief  This function is executed in case of error occurrence.* @retval None*/
void Error_Handler(void)
{/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug *//* User can add his own implementation to report the HAL error return state */__disable_irq();while (1){}/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/*** @brief  Reports the name of the source file and the source line number*         where the assert_param error has occurred.* @param  file: pointer to the source file name* @param  line: assert_param error line source number* @retval None*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{/* USER CODE BEGIN 6 *//* User can add his own implementation to report the file name and line number,ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) *//* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

注意 

在I2C（Inter-Integrated Circuit）总线协议中，通常有一个主机（master）和多个从机（slave）。按照I2C协议的设计，所有的数据传输都是在主机控制下进行的。也就是说，在标准的I2C通信中，从机与从机之间不能直接进行通信，所有的数据传输都需要通过主机来控制。

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