STM32 I²C 通信プロトコルを実践的に深く理解する

I²C の物理層

I²C プロトコル層

I²C の機能

I²C バスのタイミング図

ソフトウェアシミュレーション I²C タイミング共有

ソフトウェアシミュレーションIICドライバAT24C02共有

日常の紹介

日常的な共有

STM32 用 I²C ペリフェラル

IIC (Inter-Integrated Circuit) は、I²C または TWI (Two-Wire Interface) とも呼ばれ、低速集積回路の接続に使用される広く使用されているシリアルバスインターフェイスです。この通信プロトコルは、単一のマスターデバイスと複数のスレーブデバイス間の短距離通信に最適です。

I²C の物理層

IIC 通信に必要なワイヤは 2 本だけです。1 つはシリアルデータライン (SDA)、もう 1 つはシリアルクロックライン (SCL) です。両方のラインをプルアップ抵抗を介して正電源に接続し、信号が駆動していないときにラインが High を維持できるようにする必要があります。

I²C プロトコル層

IIC プロトコルは、開始信号、停止信号、データ有効性および応答信号を含む一連の信号を定義します。開始信号と停止信号は通信の開始と終了を識別するために使用され、データ有効性によりクロック信号が安定しているときにデータが読み取られることが保証されます。応答信号は、スレーブデバイスが受信データを確認する信号です。

I²C の機能

2 線式インターフェイス: I2C 通信には 2 本の線のみが必要です。1 つはシリアルデータライン (SDA)、もう 1 つはシリアルクロックライン (SCL) であるため、I2C は半二重通信です。
マルチマスターデバイス: I2C により、複数のマスターデバイス (マスター) と複数のスレーブデバイス (スレーブ) が同じバス上で通信できるようになります。
アドレス識別: 各スレーブデバイスは、マスターデバイスが特定のスレーブデバイスと通信するための固有のアドレスを持っています。
同期通信: I2C は同期通信プロトコルであり、データ送信はクロック信号 (SCL) によって同期されます。
複数のレートをサポート: I2C は、標準モード (100kbps)、高速モード (400kbps)、高速モードプラス (1Mbps)、高速モード (3.4Mbps) など、さまざまなデータ転送速度をサポートします。
ソフトウェアで設定可能: I2C デバイスのアドレスと一部の機能はソフトウェアで設定できます。
シンプルで使いやすい: I2C インターフェイスのハードウェア実装は比較的シンプルで、さまざまなマイクロコントローラーやその他の集積回路に簡単に統合できます。
幅広い用途: I2C は、携帯電話、テレビ、医療機器、組み込みシステムなどのさまざまな電子製品で広く使用されています。
ホットスワップのサポート: I2C デバイスは、システムの実行中の追加または削除、つまりホットスワップをサポートします。
バス調停: 複数のマスターデバイスがある場合、I2C プロトコルはどのマスターデバイスがバスを制御できるかを決定する調停メカニズムを提供します。
クロックストレッチング: スレーブデバイスは、受信データの処理またはデータ送信の完了に十分な時間を確保するために、クロックラインを Low に引き下げることで通信を一時停止できます (クロックストレッチングと呼ばれます)。
応答メカニズム: I2C 通信には、データが正常に受信されたかどうかを示す応答 (ACK) 信号と非応答 (NACK) 信号が含まれます。

I2C はそのシンプルさと柔軟性により、センサー、EEPROM、ディスプレイなどの低速周辺機器の接続に最適です。

I²C バスのタイミング図

バスのタイミング図は、IIC 通信を理解するための鍵となります。スタート信号、データビットの送信、アクノリッジビット、ストップ信号のシーケンスを示します。IIC 通信では、SCL ラインが High のときにデータビットが安定しているとみなされるため、データは SCL の High 期間中に読み取られる必要があります。

開始条件: SCL ハイレベル中に SDA がハイレベルからローレベルに切り替わる

終了条件： SCLハイレベル中にSDAがローレベルからハイレベルに切り替わる

開始条件と停止条件はホストによって生成されます

バイトの送信: SCL ローレベル中に、ホストは SDA ラインにデータビットを順番に配置し (ハイビットが最初)、その後 SCL を解放します。スレーブは SCL ハイレベル中にデータビットを読み取るため、この間 SCL ハイレベルになります期間中、SDA はデータを変更できません。上記のプロセスを 8 回繰り返して 1 バイトを送信します。

バイトの受信: SCL が Low レベルの間、スレーブは SDA ラインにデータビットを順番に配置し (High ビットが最初)、その後 SCL を解放します。ホストは SCL High レベルの間にデータビットを読み取るため、SCL が High になると通常、SDA はデータ変換を許可しません。1 バイトを受信するには上記のプロセスを 8 回繰り返します (ホストはデータを受信する前に SDA を解放する必要があります)。

応答送信： ホストは 1 バイト受信後、次のクロックで 1 ビットのデータを送信します（データ 0 が応答、データ 1 が非応答を示します）。

応答の受信: ホストがバイトを送信した後、次のクロックでデータのビットを受信して、スレーブが応答するかどうかを判断します。データ 0 は応答を示し、データ 1 は非応答を示します (ホストは受信する前に SDA を解放する必要があります)

ソフトウェアシミュレーション I²C タイミング共有

/**
  * @brief  定义SCL写函数
  * @param  None
  * @retval None
  */
    void myi2c_w_scl(uint8_t bitval){
        GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, (BitAction)bitval); //将bitval的值写入GPIOA的Pin_1，也就是SCL线
        Delay_us(10); //延迟10微秒
    }
    
    /**
  * @brief  定义SDA写函数
  * @param  None
  * @retval None
  */
    void myi2c_w_sda(uint8_t bitval){
        GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)bitval); //将bitval的值写入GPIOA的Pin_0，也就是SDA线
        Delay_us(10); //延迟10微秒
    }
    
    /**
    * @brief  读取SDA数据
    * @param  None
    * @retval None
    */
    uint8_t myi2c_r_sda(void){
        return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0); //读取GPIOA的Pin_0，也就是SDA线的值
    }

/**
  * @brief  软件模拟I2C初始化
    *        SDA        PA0        推挽输出
    *        SCL        PA1        推挽输出
  * @param  None
  * @retval None
  */
void myi2c_init(void){
    //初始化GPIO口
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA时钟
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义GPIO初始化结构体
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; //设置GPIO模式为开漏输出
      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; //设置GPIO的Pin_0和Pin_1
      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //设置GPIO速度为50MHz
      GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIOA
    
    //释放总线
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1); //将GPIOA的Pin_0和Pin_1设置为高电平，释放总线
}

/**
  * @brief  I2C起始条件
  * @param  None
  * @retval None
  */
void i2c_start(void){
    //输出起始条件
    myi2c_w_sda(1); //将SDA线设置为高电平
    myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
    
    myi2c_w_sda(0); //将SDA线设置为低电平，生成起始条件
    myi2c_w_scl(0); //将SCL线设置为低电平
}

/**
  * @brief  I2C结束条件
  * @param  None
  * @retval None
  */
void i2c_stop(void){
    //输出起始条件
    myi2c_w_sda(0); //将SDA线设置为低电平
    myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
    myi2c_w_sda(1); //将SDA线设置为高电平，生成结束条件
}

/**
* @brief  I2C发送一个字节
  * @param  None
  * @retval None
  */
void myi2c_sendbyte(uint8_t byte){
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++){ //循环8次，发送一个字节
        myi2c_w_sda(byte & 0x80 >> i);    //每发送一次向右偏移一个字节
        myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
        myi2c_w_scl(0); //将SCL线设置为低电平
    }
}

/**
  * @brief  I2C接收一个字节
  * @param  None
  * @retval None
  */
uint8_t myi2c_recv_byte(void){
    uint8_t byte = 0; //定义一个字节变量
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++){ //循环8次，接收一个字节
        myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
        if(myi2c_r_sda() == 1){byte |= (0x80 >> i);} //如果SDA线为高电平，将byte的相应位设置为1
            myi2c_w_scl(0); //将SCL线设置为低电平
    }
    return byte; //返回接收到的字节
}

/**
  * @brief  I2C接收应答
  * @param  None
  * @retval None
  */
uint8_t myi2c_recv_ack(void){
    uint8_t ackbit = 0; //定义一个应答位变量
    myi2c_w_sda(1); //将SDA线设置为高电平
    myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
    ackbit = myi2c_r_sda(); //读取SDA线的值，也就是应答位
    myi2c_w_scl(0); //将SCL线设置为低电平
    return ackbit; //返回应答位
}

/**
* @brief  I2C发送应答
  * @param  None
  * @retval None
  */
void myi2c_send_ack(uint8_t ackbit){
    myi2c_w_sda(ackbit); //将应答位的值写入SDA线
    myi2c_w_scl(1); //将SCL线设置为高电平
    myi2c_w_scl(0); //将SCL线设置为低电平
}

ソフトウェアシミュレーションIICドライバAT24C02共有

日常の紹介

I2C プロトコルを介して AT24C04 EEPROM チップと通信する機能。EEPROM は、Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory の略で、コンピュータやその他の電子機器で停電後に保持する必要がある少量のデータを保存するために使用される不揮発性メモリの一種です。

各機能の概要は次のとおりです。

:AT24_initこの関数は、AT24C04 チップと通信する I2C インターフェイスを初期化します。
:AT24_write_byteこの関数は、AT24C04 チップの指定されたアドレスに 1 バイトのデータを書き込みます。
:AT24_read_byteこの関数は、AT24C04 チップの指定されたアドレスから 1 バイトのデータを読み取ります。
:AT24_write_pageこの関数は、AT24C04 チップの指定されたアドレスに複数バイトのデータを書き込みます。AT24C04 のメモリは複数のページに分割されており、各ページは複数バイトのデータを保持できます。
:AT24_WriteBufferこの関数はデータバッファを AT24C04 チップに書き込みます。チップのメモリのページ構造を考慮し、必要に応じて複数のページにデータを書き込みます。
:AT24_readBufferこの関数は、AT24C04 チップからデータバッファを読み取ります。AT24_WriteBufferと同様に、チップのメモリのページ構造も考慮されます。

日常的な共有

/*源代码*/
#include "AT24.h"

uint8_t AT24_ADDR_W1	= 0XA0;
uint8_t AT24_ADDR_W2	= 0XA2;
uint8_t AT24_ADDR_R1	= 0xA1;
uint8_t AT24_ADDR_R2	= 0xA3;


/**
  * @brief  AT24C04初始化
  * @param  None
  * @retval None
  */
void AT24_init(void){
	
	myi2c_init();
	
}
	
/**
  * @brief  指定地址写入一个字节数据（0 ---- 255）
  * @param  uint16_t addr	写入数据地址
  * @param	uint8_t data	写入字节
  * @retval 写入成功返回4
  */
uint8_t AT24_write_byte(uint16_t addr, uint8_t data){
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_W1);	//发送从机地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}
	
	myi2c_sendbyte(addr);	//发送要写入的地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24内部寻址未应答\r\n");
		return 2;
	}
	
	myi2c_sendbyte(data);	//发送要写入的数据
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24写入数据未应答\r\n");
		return 3;
	}
	i2c_stop();		//发送停止位
	printf("AT24写入数据成功\r\n");
	return  4;
}


/**
  * @brief  指定地址读出一个字节数据（0 ---- 255）
  * @param  uint16_t addr	读数据地址
  * @retval 成功返回读出数据
  */

uint8_t AT24_read_byte(uint16_t addr){
	uint8_t read_data = 0;
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_W1);	//发送从机地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}
	
	myi2c_sendbyte(addr);	//发送要写入的地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24内部寻址未应答\r\n");
		return 2;
	}
	i2c_stop();		//发送停止位
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_R1);	//发送从机地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}
	read_data = myi2c_recv_byte();
	myi2c_send_ack(1);
	i2c_stop();		//发送停止位
	return read_data;
}


/**
  * @brief  指定地址页写入数据（0 ---- 255）
  * @param  uint16_t addr	写入数据地址
  * @param	uint8_t data	写入字节首地址
  * @param	uint8_t num 写入字节个数
  * @retval 写入成功返回4
  */
uint8_t AT24_write_page(uint16_t addr, uint8_t num, uint8_t *data){
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_W1);	//发送从机地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}
	
	myi2c_sendbyte(addr);	//发送要写入的地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24内部寻址未应答\r\n");
		return 2;
	}
	while(num--){
		myi2c_sendbyte(*data);	//发送要写入的数据
		if(myi2c_recv_ack() == 1){
			i2c_stop();		//发送停止位
			printf("AT24写入数据未应答\r\n");
			return 3;
		}
		data++;
	}
	
	i2c_stop();		//发送停止位
	printf("AT24写入数据成功\r\n");
	return  4;
}


/**
  * @brief  随机写
  * @param  uint8_t *pBuffer	写入数据的首地址
  * @param  uint32_t WriteAddr	写入地址
  * @param  uint16_t NumByteToWrite	数据长度
  * @retval None
  */
void AT24_WriteBuffer(uint8_t *pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite){
	uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;
	Addr = WriteAddr % 16;	//判断地址是否为整页
	count = 16 - Addr;			//当前页剩余字节数
	NumOfPage =  NumByteToWrite / 16;	//需要的整页数
	NumOfSingle = NumByteToWrite % 16;	//除整页剩余的字节数
	
	if (Addr == 0) /*整页开始  */
  {
    if (NumOfPage == 0) /*所写数据不够一整页，直接调用页编程函数 */
    {
      AT24_write_page(WriteAddr, NumByteToWrite, pBuffer);
    }
    else /*所写数据超过一页*/
    {
      while (NumOfPage--)	//整页写
      {
        AT24_write_page(WriteAddr, 16, pBuffer);
        WriteAddr +=  16;
        pBuffer += 16;
      }

      AT24_write_page(WriteAddr, NumOfSingle, pBuffer);	//除整页之外剩余的
    }
  }
  else /*不是整页开始写  */
  {
    if (NumOfPage == 0) /*所写不到一页 */
    {
      if (NumOfSingle > count) /*所需空间大于当前页所剩空间*/
      {
        temp = NumOfSingle - count;	//当前页写完之后剩余量

        AT24_write_page(WriteAddr, count, pBuffer);	//在当前页写，写满
        WriteAddr +=  count;
        pBuffer += count;

        AT24_write_page(WriteAddr, temp, pBuffer);	//剩余写入下一页
      }
      else
      {
        AT24_write_page(WriteAddr, NumByteToWrite, pBuffer);	//直接写当前页
      }
    }
    else /*写入数据量大于一页 */
    {
      NumByteToWrite -= count;	//写满当前页所剩数据
      NumOfPage =  NumByteToWrite / 16;	//要写入的整页
      NumOfSingle = NumByteToWrite % 16;	//写完整页剩余的字节

      AT24_write_page(WriteAddr, count, pBuffer);//把当前页写满
      WriteAddr +=  count;
      pBuffer += count;

      while (NumOfPage--)	//写整页
      {
        AT24_write_page(WriteAddr, 16, pBuffer);
        WriteAddr +=  16;
        pBuffer += 16;
      }

      if (NumOfSingle != 0)	//写剩余不满一页的字节
      {
        AT24_write_page(WriteAddr, NumOfSingle, pBuffer);
      }
    }
  }
}

/**
  * @brief  随便读
  * @param  None
  * @retval None
  */
uint8_t AT24_readBuffer(uint16_t addr, uint16_t num, uint8_t *recvdata){
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_W1);	//发送从机地址
		Delay_us(10);
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24器件寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}

	myi2c_sendbyte(addr);	//发送要写入的地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24内部寻址未应答\r\n");
		return 2;
	}
	i2c_stop();		//发送停止位
	i2c_start();	//发送起始信号
	myi2c_sendbyte(AT24_ADDR_R1);	//发送从机地址
	if(myi2c_recv_ack() == 1){
		i2c_stop();		//发送停止位
		printf("AT24器件2寻址未应答\r\n");
		return 1;
	}
	while(num--){
		*recvdata = myi2c_recv_byte();
		myi2c_send_ack(0);
		recvdata++;
		Delay_us(5);
	}
	myi2c_send_ack(1);
	i2c_stop();		//发送停止位
	return num;
}

/*头文件*/
#ifndef __AT24_H_
#define __AT24_H_

#include "stm32f4xx.h"                  // Device header
#include "myi2c.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"

void AT24_init(void);
uint8_t AT24_write_byte(uint16_t addr, uint8_t data);
uint8_t AT24_read_byte(uint16_t addr);
uint8_t AT24_write_page(uint16_t addr, uint8_t num, uint8_t *data);
void AT24_WriteBuffer(uint8_t *pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite);
uint8_t AT24_readBuffer(uint16_t addr, uint16_t num, uint8_t *recvdata);
#endif

STM32 用 I²C ペリフェラル

STM32 にはハードウェア I²C トランシーバ回路が統合されており、クロック生成、開始条件と終了条件の生成、応答ビットトランシーバ、データ送信などの機能をハードウェアによって自動的に実行できるため、CPU の負担が軽減されます。STM32 の I²C ペリフェラルは、マルチマスターモード、7 ビットまたは 10 ビットのアドレスモード、さまざまな通信速度 (標準速度は最大 100KHZ、高速は 400KHZ)、DMA、SMBus プロトコルとの互換性をサポートしています。

ハードウェア自動実行：STM32内のハードウェアI2Cモジュールは、クロック生成、開始条件と終了条件の生成、応答ビットの送受信、データ送信などの機能を自動的に実行できるため、CPUの負担が軽減され、通信がより効率的になります。
マルチホストモード: STM32 ハードウェア I2C モジュールは、複数のホストデバイスが同じバス上で通信できるようにするマルチホストモードをサポートしています。
7 ビットまたは 10 ビットアドレスモード: STM32 ハードウェア I2C モジュールは、さまざまなデバイスのアドレス指定ニーズに適応できる 7 ビットまたは 10 ビットアドレスモードをサポートしています。
さまざまな通信速度: STM32 のハードウェア I2C モジュールはさまざまな通信速度をサポートしており、標準速度は 100KHz に達し、高速モードは 400KHz に達することができ、特定のニーズに応じて適切な通信速度を選択できます。
DMA のサポート: STM32 ハードウェア I2C モジュールは DMA (ダイレクトメモリアクセス) 機能をサポートしており、DMA を介してデータを送信し、データ送信効率を向上させ、CPU 負荷を軽減できます。
SMBusプロトコルとの互換性：STM32のハードウェアI2Cモジュールは、電子デバイスの管理と制御に使用されるI2Cベースの通信プロトコルであるSMBus（システム管理バス）プロトコルと互換性があります。

これらの特性により、STM32 ハードウェア I2C モジュールは組み込みシステムで I2C 通信を実装するための理想的な選択肢となり、便利で効率的かつ信頼性の高い通信機能を提供します。