I2C(IIC,Inter－Integrated Circuit),两线式串行总线,由PHILIPS公司开发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。 IIC是半双工通信方式。
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。
多主机I2C总线系统结构
I2C协议
空闲状态
开始信号
停止信号
应答信号
数据的有效性
数据传输
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
1）空闲状态
I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
2）起始信号与停止信号
起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。 停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
3）应答信号ACK
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。 对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。
4）数据有效性
I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。 即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。
5）数据的传送
在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
STM32F4 开发板板载的 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 STM32F4 来实现 24C02 的读写。目前大部分 MCU 都带有 IIC 总线接口，STM32F4 也不例外。但是这里我们不使用 STM32F4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 STM32F4 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。
硬件设计
需要用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2） KEY_UP 和 KEY1 按键
3） 串口（ USMART 使用）
4） TFTLCD 模块
5） 24C02
只介绍 24C02 与STM32F4 的连接， 24C02 的 SCL 和 SDA 分别连在 STM32F4 的 PB8 和 PB9 上的，连接关系如
软件设计
我们是通过 GPIO来模拟 IIC。我们新增了 myiic.c文件用来存放 iic底层驱动。新增了 24cxx.c文件用来存放 24C02 的底层驱动。
打开 myiic.c 文件， 代码如下：
//初始化 IIC
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能 GPIOB 时钟
//GPIOB8,B9 初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=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，我们除了函数申明之外，还定义了几个宏定义标识符：
//IO 方向设置
#define SDA_IN() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=0<<9*2;}
//PB9 输入模式
#define SDA_OUT() {GPIOB->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOB->MODER|=1<<9*2;}
//PB9 输出模式
//IO 操作函数
#define IIC_SCL PBout(8) //SCL
#define IIC_SDA PBout(9) //SDA
#define READ_SDA PBin(9) //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。 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 源文件代码代码：
//初始化 IIC 接口
void AT24CXX_Init(void)
{
IIC_Init();//IIC 初始化
}
//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); //EEPROM 写入过程比较慢，需等待一点时间，再写下一次
}
//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<Len;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<Len;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，我们看看主函数代码：
//要写入到 24c02 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"Explorer STM32F4 IIC TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
u8 key;
u16 i=0;
u8 datatemp[SIZE];
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组 2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为 115200
LED_Init(); //初始化 LED
LCD_Init(); //LCD 初始化
KEY_Init(); //按键初始化
AT24CXX_Init(); //IIC 初始化
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16," STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"IIC TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ALIX");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2018/8/6");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write KEY0:Read"); //显示提示信息
while(AT24CXX_Check())//检测不到 24c02
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"24C02 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"24C02 Ready!");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY1_PRES)//KEY1 按下,写入 24C02
{
LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write 24C02....");
AT24CXX_Write(0,(u8*)TEXT_Buffer,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"24C02 Write Finished!");//提示传送完成
}
if(key==KEY0_PRES)//KEY0 按下,读取字符串并显示
{
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read 24C02.... ");
AT24CXX_Read(0,datatemp,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串
}
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 KEY1 按键来控制 24C02 的写入，通过另外一个按键 KEY0 来控制24C02 的读取。并在 LCD 模块上面显示相关信息。