单片机-STM32部分：12、I2C

飞书文档https://x509p6c8to.feishu.cn/wiki/MsB7wLebki07eUkAZ1ec12W3nsh

一、简介

IIC协议，又称I2C协议，是由PHILP公司在80年代开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，IIC属于半双工同步通信方式。

IIC是一种同步的串行通信总线协议，它可以在多个设备之间传输数据。IIC总线由两根线组成：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。它使用主从模式，其中一个设备作为主设备控制总线并向其他设备发出命令。IIC协议可以支持高速数据传输和多设备通信，但它的距离限制较短。
UART是一种异步的串行通信协议，它用于在两个设备之间传输数据。UART协议使用两根线：TX（发送）和RX（接收）。UART没有时钟线，数据传输的时序是通过发送和接收设备之间的协议约定实现的。UART协议通常用于短距离通信，例如在计算机和串口设备之间进行通信。
因此，IIC和UART协议在通信的方式、数据传输速度和距离限制等方面存在差异，根据具体的应用场景和需求选择合适的协议更为重要。

多主控(multimastering)

其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线，一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

特征：简单性和有效性

两根线，在标准模式下，I2C总线的最大长度为5米，最大速率为100 kbit/s。在快速模式下，I2C总线的最大长度为1米，最大速率为400 kbit/s。在高速模式下，I2C总线的最大长度为0.4米，最大速率为3.4 Mbit/s。需要注意的是，总线长度的实际限制还取决于总线上的电容负载和电缆质量等因素。

IIC完成的通讯过程如下：

IIC完整的通讯过程

1、总线是空闲状态，SCL=1，SDA =1；
2、要开始传输数据了，此时SCL还是高电平，SCL=1，主机将SDA从1变成0；
3、跟哪个从机通讯，把从机的地址发出去。一般地址是8个bit（也有16个bit的），这8个bit其实真实的地址是7个bit，最后1个bit是用来表示读或者写的。1表示读，0表示写；这个过程相当于主机往SDA上发了8个bit的数据（地址也是数据啊）；
4、主机发地址的过程，相当于在找从机，从机是要给应答信号的，就是ACK，你老板喊你，你也得先回答声A吧；
5、应答之后，就是要传输数据了，如果第3步中发的地址是写操作，那就由主机来控制SDA的电平变化，如果第3步中发的地址是读操作，那就由从机来控制SDA的电平变化；
6、每次8bit的数据传输完成，都要有个应答信号，谁接收数据，谁来应答
7、完事之后，在SCL高电平时，主机把SDA从低电平拉高，表示结束。

STM32中的I2C

STM32 芯片有多个 I2C 外设，它们的 I2C 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。

SMBus(系统管理总线—System Management Bus)

SMBus总线和I2C是比较类似的，所以STM32兼容了这两种设计，一般场景比较少用SMBus，I2C则是非常多外设使用的接口，我们本节课以I2C为主，看看如何使用STM32的I2C功能。

选择为I2C功能后，会自动选择对应的IO作为I2C的IO，这里I2C是支持重映射的，我们可以根据需要手动修改。

然后，我们可以设置I2C的主从模式，这里我们设置主机模式，模式为Standard Mode，速率为100000Hz。

Master features 主模式特性

Master 为主机模式相关参数，如果是驱动触摸屏、传感器、EEPROM等外设，只需配置这里的参数。

Slave 为从机模式相关参数，如果是开发触摸屏，传感器本身，则需要配置从机参数。

Standard Mode：标准模式

Fast Mode：高速模式

这两种模式支持的通讯速率不同，在标准模式中，最大只能设置100KHz，作为主机时，速率大小要看从机支持的最大速率，一般来说100KHz可以满足上述的触摸屏、传感器、EEPROM的驱动。

Slave features 从模式特性

作为主机使用时，这里无需修改

Clock No Stretch Mode：时钟没有扩展模式
IIC时钟拉伸(Clock stretching)：clock stretching通过将SCL线拉低来暂停一个传输.直到释放SCL线为高电平,传输才继续进行.clock stretching是可选的,实际上大多数从设备不包括SCL驱动,所以它们不能stretch时钟.
Primary Address Length selection：从设备地址长度设置从设备的地址是7bit还是10bit 大部分为7bit
Dual Address Acknowledged：双地址确认
Primary slave address：从设备初始地址

然后就可以生成MDK工程，这里主要用的函数有四个：

HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,
                         uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
功能：IIC写数据
参数：
    *hi2c 设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1
    DevAddress 写入的地址设置写入数据的地址例 0xA0
    *pData 需要写入的数据
    Size 要发送的字节数
    Timeout 最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数

HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,
                        uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
功能：IIC读一个字节
参数：
    *hi2c：设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1
    DevAddress：写入的地址设置写入数据的地址例 0xA0
    *pDat：a 存储读取到的数据
    Size：发送的字节数
    Timeout：最大读取时间，超过时间将自动退出读取函数

HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,
                  uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
- 功能：IIC写多个数据，该函数适用于IIC外设里面还有子地址寄存器的地址，比如E2PROM，除了
       设备地址，每个存储字节都有其对应的地址。
- 参数：
*hi2c      设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1
DevAddress 写入的地址设置写入数据的地址例：0xA0
MemAddress 从机寄存器地址，每写入一个字节数据，地址就会自动+1
MemAddSize 从机寄存器地址字节长度 8位/16位
             写入数据的字节类型 8位/16位
             I2C_MEMADD_SIZE_8BIT
             I2C_MEMADD_SIZE_16BIT
*pData     需要写入的数据的起始地址
Size       传输数据的大小，需要发送的字节数
Timeout    最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数
- 例如：HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,ADDR,i,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8,1000);

HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress,
                 uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize,
                 uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)；
- 功能：IIC读多个数据，该函数适用于IIC外设里面还有子地址寄存器的地址，比如E2PROM，除了
       设备地址，每个存储字节都有其对应的地址。
- 参数：
*hi2c      设置使用的是那个IIC 例：&hi2c1
DevAddress 读设备的地址设置读数据的地址例：0xA0
MemAddress 从机寄存器地址，每读出一个字节数据，地址就会自动+1
MemAddSize 从机寄存器地址字节长度 8位/16位
             读出数据的字节类型 8位/16位
             I2C_MEMADD_SIZE_8BIT
             I2C_MEMADD_SIZE_16BIT
*pData     需要读出的数据的起始地址
Size       传输数据的大小，需要读出的字节数
Timeout    最大传输时间，超过传输时间将自动退出传输函数

如果只往某个外设中写数据，则用Master_Transmit。　
如果是外设里面还有子地址，例如我们的E2PROM，有设备地址，还有每个数据的寄存器存储地址。则用Mem_Write。
Mem_Write是2个地址，Master_Transmit只有从机地址。
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,WriteBuffer,BufferSize, 0xff);
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA1, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,ReadBuffer,BufferSize, 0xff);

EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。

https://item.szlcsc.com/320744.html

BL24C02是一个2Kbit的EEPROM，内部含有256个字节可以存储数据，总共有32页，每页8Byte。

设备读写地址说明

其中设备地址如下，A2 A1 A0对应芯片硬件接的电平

如果我们把A2 A1 A0都接到GND，这时候，

写数据时，设备地址字节应该是0b1010 0000=0xA0

读数据时，设备地址字节应该是0b1010 0001=0xA1

参考飞书文档

字节写

每次写入一个Byte数据

先发送起始信号
发送从设备地址+写入标志数据（Wbit=0），等待应答
发送写入地址，等待应答
发送数据，等待应答
发送结束信号。

页写

每次可以写入一页（8Byte）的数据

读字节

连续读

连续读操作可通过立即读或选择性读操作启动。在 24C02 发送完一个 8 位字节数据后，主器件产生一个应答信号来响应，告知 24C02 主器件要求更多的数据，对应每个主机产生的应答信号 24C02 将发送一个 8 位数据字节。当主器件不发送应答信号而发送停止位时结束此操作。

STM32CUBEMX开启I2C1，对应PB6 PB7

然后打开USART1用于打印日志，方便查看

注意，要勾选MicroLIB哦，否则printf打印不了数据

然后添加代码如下：

main.c

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN 0 */
#define ADDR_24LCxx_Write 0xA0
#define ADDR_24LCxx_Read 0xA1
#define BufferSize 8
uint8_t WriteBuffer[BufferSize] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
uint8_t ReadBuffer[BufferSize] = {0};
/* USER CODE END 0 */

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    printf("start to test i2c eeprom\n");
    if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Write, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, WriteBuffer, sizeof(WriteBuffer), 0xff) == HAL_OK)
    {
        printf("EEPROM 24C02 Write Test OK \r\n");
    }
    HAL_Delay(10);          
    /* read date from EEPROM */
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Read, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, ReadBuffer, sizeof(ReadBuffer), 0xff);
    for(int i = 0; i < sizeof(ReadBuffer); i++)
    {
       printf("0x%02X  ",ReadBuffer[i]);
    }
    HAL_Delay(1000);
  }
  /* USER CODE END 3 */
 
 

/* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}

打印如下

温湿度传感器

温湿度传感器：CJ-GXHT3L

GXHT3L-DIS 是中科银河芯开发的新一代单芯片集成温湿度一体传感器。

★ I2C 接口，通信速度高达 1MHz

★ 两个用户可选择的地址

★ GXHT3L 典型精度为±4%RH 和±0.5°C

★ GXHT30 典型精度为±3%RH 和±0.3°C

★ GXHT31 典型精度为±2%RH 和±0.3°C

★ 单芯片集成温湿传感器

★ 高可靠性和长期稳定性

★ 测量 0-100%范围相对湿度

★ 测量-45-130℃范围内温度

https://item.szlcsc.com/3199174.html

关于设备地址与ADDR管脚说明：

这里要注意的是，0x44指的是I2C地址的高7位，第八位为读写标志位。

0x44 = 0b0100 0100，把最高位去掉 = 0b100 0100

写数据时，设备地址字节应该是0b1000 1000=0x88

读数据时，设备地址字节应该是0b1000 1001=0x89

高重复率和周期转换频率，例如0x2130中，21代表每秒转换一次，30代表高重复率。

设置进入连续转换模式的命令

* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#define    GXHT3L_ADDR_WRITE    0x44<<1         //10001000
#define    GXHT3L_ADDR_READ     (0x44<<1)+1     //10001001

typedef enum
{
    /* 软件复位命令 */

    SOFT_RESET_CMD = 0x30A2,   
    /* 加热使能/禁能命令 */
    PREHEAT_ENABLE_CMD = 0x306D,
    PREHEAT_DISENABLE_CMD = 0x3066,
    /* 芯片状态命令 */
    DEVICE_STATUS_CMD = 0xF32D,
   
    /*
    单次测量模式
    命名格式：Repeatability_CS_CMD
    CS：Clock stretching
    */
    HIGH_ENABLED_CMD    = 0x2C06,
    MEDIUM_ENABLED_CMD  = 0x2C0D,
    LOW_ENABLED_CMD     = 0x2C10,
    HIGH_DISABLED_CMD   = 0x2400,
    MEDIUM_DISABLED_CMD = 0x240B,
    LOW_DISABLED_CMD    = 0x2416,

    /*
    周期测量模式
    命名格式：Repeatability_MPS_CMD
    MPS：measurement per second
    */
    HIGH_0_5_CMD   = 0x2032,
    MEDIUM_0_5_CMD = 0x2024,
    LOW_0_5_CMD    = 0x202F,
    HIGH_1_CMD     = 0x2130,
    MEDIUM_1_CMD   = 0x2126,
    LOW_1_CMD      = 0x212D,
    HIGH_2_CMD     = 0x2236,
    MEDIUM_2_CMD   = 0x2220,
    LOW_2_CMD      = 0x222B,
    HIGH_4_CMD     = 0x2334,
    MEDIUM_4_CMD   = 0x2322,
    LOW_4_CMD      = 0x2329,
    HIGH_10_CMD    = 0x2737,
    MEDIUM_10_CMD  = 0x2721,
    LOW_10_CMD     = 0x272A,
    /* 周期测量模式读取数据命令 */
    READOUT_FOR_PERIODIC_MODE = 0xE000,
} GXHT3L_CMD;
/* USER CODE END Includes */


/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
 * @brief    向GXHT3L发送一条指令(16bit)
 * @param    cmd —— GXHT3L指令（在GXHT3L_MODE中枚举定义）
 * @retval    成功返回HAL_OK
*/
static uint8_t GXHT3L_Send_Cmd(GXHT3L_CMD cmd)
{
    uint8_t cmd_buffer[2];
    cmd_buffer[0] = cmd >> 8;
    cmd_buffer[1] = cmd;
    return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_WRITE, (uint8_t*) cmd_buffer, 2, 0xFFFF);
}

/**
 * @brief    复位GXHT3L
 * @param    none
 * @retval    none
*/
static void GXHT3L_Reset(void)
{
    GXHT3L_Send_Cmd(SOFT_RESET_CMD);
    HAL_Delay(20);
}

void GXHT3L_Preheat_Disable(void)
{
    GXHT3L_Send_Cmd(PREHEAT_DISENABLE_CMD);
    HAL_Delay(20);
}

uint8_t GXHT3L_Read_Status(uint8_t* dat)
{
    GXHT3L_Send_Cmd(DEVICE_STATUS_CMD);
    return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_READ, dat, 3, 0xFFFF);
}

/**
 * @brief    初始化GXHT3L
 * @param    none
 * @retval    成功返回HAL_OK
 * @note    周期测量模式
*/
uint8_t GXHT3L_Init(void)
{
    return GXHT3L_Send_Cmd(MEDIUM_2_CMD);
}

/**
 * @brief    从GXHT3L读取一次数据
 * @param    dat —— 存储读取数据的地址（6个字节数组）
 * @retval    成功 —— 返回HAL_OK
*/
uint8_t GXHT3L_Read_Dat(uint8_t* dat)
{
    GXHT3L_Send_Cmd(READOUT_FOR_PERIODIC_MODE);
    return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2, GXHT3L_ADDR_READ, dat, 6, 0xFFFF);
}

#define CRC8_POLYNOMIAL 0x31

uint8_t CheckCrc8(uint8_t* const message, uint8_t initial_value)
{
    uint8_t  remainder;        //余数
    uint8_t  i = 0, j = 0;  //循环变量

    /* 初始化 */
    remainder = initial_value;
    for(j = 0; j < 2;j++)
    {
        remainder ^= message[j];
        /* 从最高位开始依次计算  */
        for (i = 0; i < 8; i++)
        {
            if (remainder & 0x80)
            {
                remainder = (remainder << 1)^CRC8_POLYNOMIAL;
            }
            else
            {
                remainder = (remainder << 1);
            }
        }
    }
    /* 返回计算的CRC码 */
    return remainder;
}

/**
 * @brief    将GXHT3L接收的6个字节数据进行CRC校验，并转换为温度值和湿度值
 * @param    dat  —— 存储接收数据的地址（6个字节数组）
 * @retval    校验成功  —— 返回0
 *             校验失败  —— 返回1，并设置温度值和湿度值为0
*/
uint8_t GXHT3L_Dat_To_Float(uint8_t* const dat, float* temperature, float* humidity)
{
    uint16_t recv_temperature = 0;
    uint16_t recv_humidity = 0;

    /* 校验温度数据和湿度数据是否接收正确 */
    if(CheckCrc8(dat, 0xFF) != dat[2] || CheckCrc8(&dat[3], 0xFF) != dat[5])
        return 1;

    /* 转换温度数据 */
    recv_temperature = ((uint16_t)dat[0]<<8)|dat[1];
    *temperature = -45 + 175*((float)recv_temperature/65535);

    /* 转换湿度数据 */
    recv_humidity = ((uint16_t)dat[3]<<8)|dat[4];
    *humidity = 100 * ((float)recv_humidity / 65535);

    return 0;
}



  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t recv_dat[6] = {0};
  uint8_t recv_status[3] = {0};
  float temperature = 0.0;
  float humidity = 0.0;
  /* USER CODE END 1 */

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  GXHT3L_Reset();
  if(GXHT3L_Init() == HAL_OK)
      printf("GXHT3L init ok.\n");
  else
      printf("GXHT3L init fail.\n");
  if(GXHT3L_Read_Status(recv_status) == HAL_OK){
      printf("GXHT3L Read Status ok. Status = 0x%x%x\n",recv_status[0],recv_status[1]);
  }else
      printf("GXHT3L Read Status fail.\n");
  /* USER CODE END 2 */


  while (1)
  {
    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_Delay(1000);
    if(GXHT3L_Read_Dat(recv_dat) == HAL_OK)
    {
       if(GXHT3L_Dat_To_Float(recv_dat, &temperature, &humidity)==0)
       {
            printf("temperature = %f, humidity = %f\n", temperature, humidity);
       }
       else
       {
          printf("crc check fail.\n");
       }
    }
    else
    {
       printf("read data from GXHT3L fail.\n");
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */



/* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}
/* USER CODE END 4 */

最终工程，可以参考淘宝旺旺发送的源码部分哦