STM32的IIC通信課堂教學(xué)方法的探討

侯鳳云　蔡曉龍

摘 要 隨著嵌入式系統(tǒng)主頻的提高，串行通信的地位逐步提高。STM32的同步串行口IIC通信效率高，占用資源少。本文介紹了STM32的IIC通信的教學(xué)方法，以24C02為從機(jī)，解析了STM32和24C02之間模擬IIC通信的實(shí)現(xiàn)過程。首先敘述了IIC通信基礎(chǔ)，然后分析了STM32和24C02的接口電路設(shè)計(jì)，最后是軟件的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 STM32 IIC通信 課堂教學(xué)

0引言

IIC 即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線），是由飛利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來的一種簡單、雙向、二線制、同步串行總線。

IIC是多向控制總線，也就是說多個(gè)芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時(shí)每個(gè)芯片都可以作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃矗喕诵盘?hào)傳輸總線接口。IIC總線是各種總線中使用信號(hào)線最少，并具有自動(dòng)尋址、多主機(jī)時(shí)鐘同步和仲裁等功能的總線。使用IIC總線搭建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方便靈活，體積小，隨著嵌入式系統(tǒng)主頻的提高，IIC在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 STM32的IIC通信基礎(chǔ)

1.1 IIC總線結(jié)構(gòu)

IIC總線一般有兩根信號(hào)線，數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。IIC總線是多主機(jī)的總線，所有接到IIC總線上的設(shè)備數(shù)據(jù)線都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線接到總線的SCL上，連接關(guān)系如圖1所示。

多主機(jī)情況由總線仲裁功能解決，主機(jī)能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率，任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主機(jī)。每個(gè)連接到總線的器件可以通過唯一的地址和主機(jī)聯(lián)系，主機(jī)可以是發(fā)送器或接收器。一般情況下SDA、SCL接上拉電阻，實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換以及提高驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)總線空閑時(shí)這兩條線路都是高電平。

IIC時(shí)序是SCL和SDA兩根信號(hào)線上的電平變化順序，IIC正常通信時(shí)必須遵守一定的時(shí)序要求，時(shí)序信號(hào)如圖2所示。

根據(jù)時(shí)序圖進(jìn)行分析：總線空閑狀態(tài)時(shí)，SDA和SCL兩條信號(hào)線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線；啟動(dòng)信號(hào)START，時(shí)鐘信號(hào)SCL保持高電平，數(shù)據(jù)信號(hào)SDA的電平被拉低（即負(fù)跳變）。啟動(dòng)信號(hào)必須是跳變信號(hào)，而且在建立該信號(hào)前必修保證總線處于空閑狀態(tài)；停止信號(hào)STOP，時(shí)鐘信號(hào)SCL保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），停止信號(hào)也必須是跳變信號(hào)；數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)線SDA上的數(shù)據(jù)狀態(tài)在時(shí)鐘線SCL的高電平期間必須保持穩(wěn)定，只有在SCL線為低電平期間，SDA上的電平允許變化；應(yīng)答信號(hào)ACK，IIC總線的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)（8位）的方式傳送的，發(fā)送器件每發(fā)送一個(gè)字節(jié)之后，在SCL的第9個(gè)脈沖期間釋放數(shù)據(jù)總線，由接收器發(fā)送一個(gè)ACK（把數(shù)據(jù)總線的電平拉低）來表示數(shù)據(jù)成功接收；無應(yīng)答信號(hào)NACK，在SCL的第9個(gè)脈沖期間發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)總線，接收器不拉低數(shù)據(jù)總線表示一個(gè)NACK，NACK有兩種用途，一種表示接收器未成功接收數(shù)據(jù)字節(jié)，另一種是當(dāng)接收器是主機(jī)時(shí)，接收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，通知發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)STOP。

2 IIC的接口電路設(shè)計(jì)

以24C02為例介紹IIC的接口電路，24C02是一種256B的可電擦除EEPROM，通過IIC協(xié)議與STM32進(jìn)行通信，讀寫方便，廣泛應(yīng)用于智能儀器、汽車電子、家用電器等場合。

接口電路如圖3所示。24C02的A2、A1、A0為地址位，用于級(jí)聯(lián)，由于電路中僅1片24C02，3個(gè)端口接地即可；WP為寫保護(hù)，接地時(shí)可進(jìn)行讀、寫操作；24C02的SCL是時(shí)鐘線，SDA是信號(hào)線，分別接STM32的PB10、PB11端子，并且外接上拉電阻至3.3V電源。

STM32的PB10、PB11也是硬件IIC接口，為了靈活選用端子、方便移植，這里采用模擬IIC方式通信。

通過操作兩個(gè)I/O端口的高、低電平滿足時(shí)序要求，從而實(shí)現(xiàn)IIC通信，就是模擬IIC。下面介紹軟件的實(shí)現(xiàn)過程。

3軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 IIC尋址方式

圖3中24C02的地址以字節(jié)表示。地址字節(jié)的高7位表示從機(jī)地址，其中高4位屬于固定地址，由廠家統(tǒng)一規(guī)定；低3位為引腳設(shè)定地址，由外部引腳電平狀態(tài)來設(shè)定。圖3中的IIC設(shè)備是AT24C02，高4位由廠家規(guī)定為1010，低3位是000。

地址字節(jié)的最低位（LSB）是讀/寫控制位，0表示主機(jī)向從機(jī)寫入信息，1表示主機(jī)由從機(jī)讀取信息。

3.2 IIC通信流程

IIC通信包括寫入和讀取兩個(gè)過程，以啟動(dòng)信號(hào)START來掌控總線，以停止信號(hào)STOP來釋放總線；每次通信以START開始，以STOP結(jié)束。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)在傳送時(shí)都是高位（MSB）在前。注意編寫程序時(shí)，參考STM32用戶手冊中IIC通信要求的精確時(shí)序，可采用SysTick定時(shí)器。

寫入的通信流程如下：

（1）主機(jī)在檢測到總線空閑的狀況下，發(fā)出START信號(hào)。

（2）發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（上述例子的地址是10100000），表示寫入，等待從機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK。

（3）主機(jī)收到ACK后，發(fā)送要寫入的器件地址單元，等待從機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK。

（4）主機(jī)收到ACK后，開始發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

（5）從機(jī)收到數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個(gè)ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示傳送數(shù)據(jù)結(jié)束。

（6）主機(jī)發(fā)送全部數(shù)據(jù)后，發(fā)出STOP信號(hào)，結(jié)束通信并且釋放總線。

讀取的通信流程如下：

（1）主機(jī)在檢測到總線空閑的狀況下，發(fā)出START信號(hào)。

（2）發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（上述例子的地址是1010000），等待從機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK。

（3）主機(jī)收到ACK后，發(fā)送要讀取的器件地址單元，等待從機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK。

（4）主機(jī)收到ACK后，啟動(dòng)START信號(hào)，發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（上述例子的地址是10100001），表示接收，等待從機(jī)應(yīng)答信號(hào)ACK。

（5）主機(jī)收到ACK后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

（6）主機(jī)收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示傳送數(shù)據(jù)結(jié)束。

（7）主機(jī)接收全部數(shù)據(jù)后，發(fā)出STOP信號(hào)，結(jié)束通信并且釋放總線。

根據(jù)上述IIC的通信流程和時(shí)序要求，進(jìn)行程序的編寫，會(huì)用到下列函數(shù)：啟動(dòng)信號(hào)函數(shù)、停止信號(hào)函數(shù)、等待應(yīng)答函數(shù)、產(chǎn)生應(yīng)答函數(shù)、不產(chǎn)生應(yīng)答函數(shù)、發(fā)送字節(jié)函數(shù)、接收字節(jié)函數(shù)等，不一一列寫。

4小結(jié)

實(shí)現(xiàn)模擬IIC通信，重點(diǎn)是先理解IIC的通信時(shí)序，根據(jù)IIC通信器件要求設(shè)計(jì)硬件接口電路，然后弄清楚讀取和寫入的通信流程，完成程序的編寫。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步理解和掌握模擬IIC通信方法。