STM32 的I2C 特性及架构

  如果我们直接控制STM32 的两个GPIO 引脚,分别用作SCL 及SDA,按照上述信号的时序要求,直接像控制LED 灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA 电平),就可以实现I2C 通讯。同样,假如我们按照USART 的要求去控制引脚,也能实现USART通讯。所以只要遵守协议,就是标准的通讯,不管您如何实现它,不管是ST 生产的控制器还是ATMEL 生产的存储器, 都能按通讯标准交互。

  由于直接控制GPIO 引脚电平产生通讯时序时,需要由CPU 控制每个时刻的引脚状态,所以称之为“软件模拟协议”方式。

  相对地,还有“硬件协议”方式,STM32 的I2C 片上外设专门负责实现I2C 通讯协议,只要配置好该外设,它就会自动根据协议要求产生通讯信号,收发数据并缓存起来,CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器,就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU 的工作,且使软件设计更加简单。

  STM32 的I2C 外设简介

  STM32 的I2C 外设可用作通讯的主机及从机,支持100Kbit/s 和400Kbit/s 的速率,支持7 位、10 位设备地址,支持DMA 数据传输,并具有数据校验功能。它的I2C 外设还支持SMBus2.0 协议,SMBus 协议与I2C 类似,主要应用于笔记本电脑的电池管理中。

  STM32 的I2C 架构剖析

  图 24-9 I2C 架构图

  

  通讯引脚

  I2C 的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL 线和SDA 线展开的(其中的SMBA 线用于SMBUS 的警告信号,I2C 通讯没有使用)。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,见表 24-1。关于GPIO引脚的复用功能,以规格书为准。

  

  时钟控制逻辑

  SCL 线的时钟信号,由I2C 接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制,控制的参数主要为时钟频率。配置I2C 的CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数:

  可选择I2C 通讯的“标准/快速”模式,这两个模式分别I2C 对应100/400Kbit/s 的通讯速率。

  在快速模式下可选择SCL 时钟的占空比,可选Tlow/Thigh=2 或Tlow/Thigh=16/9模式,我们知道I2C 协议在SCL 高电平时对SDA 信号采样,SCL 低电平时SDA准备下一个数据,修改SCL 的高低电平比会影响数据采样,但其实这两个模式的比例差别并不大,若不是要求非常严格,这里随便选就可以了。

  CCR 寄存器中还有一个12 位的配置因子CCR,它与I2C 外设的输入时钟源共同作用,产生SCL 时钟,STM32 的I2C 外设都挂载在APB1 总线上,使用APB1 的时钟源PCLK1,SCL 信号线的输出时钟公式如下:

  

  计算结果得出CCR 为30,向该寄存器位写入此值则可以控制IIC 的通讯速率为400KHz,其实即使配置出来的SCL 时钟不完全等于标准的400KHz,IIC 通讯的正确性也不会受到影响,因为所有数据通讯都是由SCL 协调的,只要它的时钟频率不远高于标准即可。

  数据控制逻辑

  I2C 的SDA 信号主要连接到数据移位寄存器上,数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC 寄存器以及SDA 数据线。当向外发送数据的时候,数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源,把数据一位一位地通过SDA 信号线发送出去;当从外部接收数据的时候,数据移位寄存器把SDA 信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验,接收到的数据会经过PCE 计算器运算,运算结果存储在“PEC 寄存器”中。当STM32 的I2C 工作在从机模式的时候,接收到设备地址信号时,数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32 的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较,以便响应主机的寻址。STM32 的自身I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改,支持同时使用两个I2C 设备地址,两个地址分别存储在OAR1 和OAR2 中。

  整体控制逻辑

  整体控制逻辑负责协调整个I2C 外设,控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时,控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1 和SR2)”,我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位,就可以了解I2C的工作状态。除此之外,控制逻辑还根据要求,负责控制产生I2C 中断信号、DMA请求及各种I2C 的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

  通讯过程

  使用I2C 外设通讯时,在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及SR2)”的不同数据位写入参数,我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

  主发送器

  见图 24-10。图中的是“主发送器”流程,即作为I2C 通讯的主机端时,向外发送数据时的过程。

  图 24-10 主发送器通讯过程

  

  主发送器发送流程及事件说明如下:

  (1) 控制产生起始信号(S),当发生起始信号后,它产生事件“EV5”,并会对SR1 寄存器的“SB”位置1,表示起始信号已经发送;

  (2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号,若有从机应答,则产生事件“EV6”及“EV8”,这时SR1 寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置1,ADDR 为1 表示地址已经发送,TXE 为1 表示数据寄存器为空;

  (3) 以上步骤正常执行并对ADDR 位清零后,我们往I2C 的“数据寄存器DR”写入要发送的数据,这时TXE 位会被重置0,表示数据寄存器非空,I2C 外设通过SDA 信号线一位位把数据发送出去后,又会产生“EV8”事件,即TXE 位被置1,重复这个过程,就可以发送多个字节数据了;

  (4) 当我们发送数据完成后,控制I2C 设备产生一个停止信号(P),这个时候会产生EV8_2 事件,SR1 的TXE 位及BTF 位都被置1,表示通讯结束。

  假如我们使能了I2C 中断,以上所有事件产生时,都会产生I2C 中断信号,进入同一个中断服务函数,到I2C 中断服务程序后,再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

  主接收器

  再来分析主接收器过程,即作为I2C 通讯的主机端时,从外部接收数据的过程,见图24-11。

  图 24-11 主接收器过程

  

  主接收器接收流程及事件说明如下:

  (1) 同主发送流程,起始信号(S)是由主机端产生的,控制发生起始信号后,它产生事件“EV5”,并会对SR1 寄存器的“SB”位置1,表示起始信号已经发送;

  (2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号,若有从机应答,则产生事件“EV6”这时SR1 寄存器的“ADDR”位被置1,表示地址已经发送。

  (3) 从机端接收到地址后,开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后,会产生“EV7”事件,SR1 寄存器的RXNE 被置1,表示接收数据寄存器非空,我们读取该寄存器后,可对数据寄存器清空,以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C 发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK),若应答,则重复以上步骤接收数据,若非应答,则停止传输;

  (4) 发送非应答信号后,产生停止信号(P),结束传输。

  在发送和接收过程中,有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位,还可能同时标志主机状态之类的状态位,而且读了之后还需要清除标志位,比较复杂。我们可使用STM32 标准库函数来直接检测这些事件的复合标志,降低编程难度。

视频资料

(stm32直流电机驱动)
http://www.makeru.com.cn/live/1392_1218.html?s=45051

PWM脉宽调制技术
http://www.makeru.com.cn/live/4034_2146.html?s=45051
基于STM32讲解串口操作
http://www.makeru.com.cn/live/1758_490.html?s=45051

( ADC读取光照传感器)
http://www.makeru.com.cn/live/1392_1004.html?s=45051

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