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【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十二—IIC(读取AT24C02 )

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【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十二—IIC(读取AT24C02 )IIC简介IIC(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。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。PS：这里要注…

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

前言：

本系列教程将HAL库与STM32CubeMX结合在一起讲解，使您可以更快速的学会各个模块的使用

在之前的标准库中，STM32的硬件IIC非常复杂，更重要的是它并不稳定，所以都不推荐使用。
但是在我们的HAL库中，对硬件IIC做了全新的优化，使得之前软件IIC几百行代码，在HAL库中，只需要寥寥几行就可以完成 那么这篇文章将带你去感受下它的优异之处

这可能是目前关于STM32CubeMX的硬件iic 讲的最全面和详细的一篇文章之一了

所用工具：

1、芯片： STM32F103ZET6

2、STM32CubeMx软件

3、IDE： MDK-Keil软件

4、STM32F1xx/STM32F4xxHAL库

5、IIC： 使用硬件IIC1

知识概括：

通过本篇博客您将学到：

IIC的基本原理

STM32CubeMX创建IIC例程

HAL库IIC函数库

AT24C02 芯片原理

IIC 简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

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。

PS： 这里要注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI

ＩＩＣ的物理层

IIC一共有只有两个总线： 一条是双向的数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ

所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址。

在这里插入图片描述

关于IIC的讲解，已经单独整理了一篇文章：

《IIC原理超详细讲解—值得一看》。
如果对IIC还不是太了解的朋友请移步到这篇文章中

IIC起始信号和终止信号：

  • 起始信号：SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时(>4.7us)，SCL变为低电平。
  • 停止信号：SCL保持高电平。SDA由低电平变为高电平。

在这里插入图片描述

数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，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。

SCL=1时 数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

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。
在这里插入图片描述

每发送一个字节（8个bit）在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，
在这里插入图片描述

这里我们仅介绍基于AT24C02的IIC通信

以AT24C02为例子

24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。
在这里插入图片描述

  • A0,A1,A2：硬件地址引脚
  • WP：写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写
  • SCL和SDA：IIC总线

可以通过存储IC的型号来计算芯片的存储容量是多大，比如24C02后面的02表示的是可存储2Kbit的数据，转换为字节的存储量为21024/8 = 256byte；那么24C04后面的04表示的是可存储4Kbit的数据，转换为字节的储存量为41024/8 = 512byte;以此来类推其它型号的存储空间。

下图为芯片从地址：

可以看出对于不同大小的24Cxx，具有不同的从器件地址。由于24C02为2k容量，也就是说只需要参考图中第一行的内容：
在这里插入图片描述
芯片的寻址：
AT24C设备地址为如下，前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。所以A2~A0默认为000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。

也就是说如果是
写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

片内地址寻址：

芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。

对应的修改 A2A1A0 三位数据即可
在这里插入图片描述

向AT24C02中写数据
在这里插入图片描述
操作时序：

  1. MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
  2. 接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
  3. 等待应答信号(ACK)
  4. 发送数据的存储地址。24C02一共有256个字节的存储空间，地址从0x00~0xFF，想把数据存储在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。
  5. 发送要存储的数据第一字节、第二字节、…注意在写数据的过程中，E2PROM每个字节都会回应一个“应答位0”，老告诉我们写E2PROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。
  6. 发送结束信号（STOP）停止总线

注意：
在写数据的过程中，每成功写入一个字节，E2PROM存储空间的地址就会自动加1，当加到0xFF后，再写一个字节，地址就会溢出又变成0x00。

写数据的时候需要注意，E2PROM是先写到缓冲区，然后再“搬运到”到掉电非易失区。所以这个过程需要一定的时间，AT24C02这个过程是不超过5ms！
所以，当我们在写多个字节时，写入一个字节之后，再写入下一个字节之前，必须延时5ms才可以

从AT24C02中读数据

1，读当前地址的数据
在这里插入图片描述
2、读随机地址的数据
在这里插入图片描述

  1. MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
  2. 接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
    注意：这里写操作是为了要把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉E2PROM要读取哪个地址的数据。
  3. 发送要读取内存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM读取要哪个地址的信息。
  4. 重新发送开始信号(START)
  5. 发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)
  6. E2PROM会自动向主机发送数据，主机读取从器件发回的数据，在读一个字节后，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据
  7. 如果不想读了，告诉E2PROM不想要数据了，就发送一个“非应答位NAK(1)”。发送结束信号（STOP）停止总线

3、连续读数据
在这里插入图片描述
E2PROM支持连续写操作，操作和单个字节类似，先发送设备写操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后发送内存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据。E2PROM的地址指针会自动递增，数据会依次保存在内存中。不应答发送结束信号后终止传输。

基于CubeMx的讲解

1设置RCC时钟

设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源
在这里插入图片描述

2 IIC设置
在这里插入图片描述
点击I2C1 设置为I2C 因为我们的硬件IIC 芯片一般都是主设备，也就是一般情况设置主模式即可

  • Master  features  主模式特性

  • I2C Speed Mode： IIC模式设置 快速模式和标准模式。实际上也就是速率的选择。

  • I2C Clock Speed：I2C传输速率，默认为100KHz

  • Slave  features  从模式特性

  • 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

这里我们保持默认即可

3 串口设置
在这里插入图片描述
因为我们需要将AT24C02中存储的数据发送到上位机上，所以需要设置下串口

这里设置为异步通信，其他的默认即可

串口如有不懂，请看这篇文章
【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程四—UART串口通信详解

5 时钟源设置
在这里插入图片描述
我的是 外部晶振为8MHz

  • 1选择外部时钟HSE 8MHz
  • 2PLL锁相环倍频9倍
  • 3系统时钟来源选择为PLL
  • 4设置APB1分频器为 /2
  • 5 使能CSS监视时钟

32的时钟树框图 如果不懂的话请看《【STM32】系统时钟RCC详解(超详细，超全面)》

6 项目文件设置
在这里插入图片描述

  • 1 设置项目名称
  • 2 设置存储路径
  • 3 选择所用IDE

在这里插入图片描述
7创建工程文件

然后点击GENERATE CODE 创建工程

配置下载工具
新建的工程所有配置都是默认的 我们需要自行选择下载模式，勾选上下载后复位运行

在这里插入图片描述

IIC HAL库代码部分

在i2c.c文件中可以看到IIC初始化函数。在stm32f1xx_hal_i2c.h头文件中可以看到I2C的操作函数。分别对应轮询，中断和DMA三种控制方式
在这里插入图片描述

上面的函数看起来多，但是只是发送和接收的方式改变了，函数的参数和本质功能并没有改变
比方说IIC发送函数 还是发送函数，只不过有普通发送，DMA传输，中断 的几种发送模式

这里我们仅介绍下普通发送，其他的只是改下函数名即可

IIC写函数

 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：&hi2c2
  • 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

IIC读函数

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：&hi2c2

  • 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

举例：

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1,0xA1,(uint8_t*)TxData,2,1000) ；;

发送两个字节数据

IIC写数据函数


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);
/* 第1个参数为I2C操作句柄 第2个参数为从机设备地址 第3个参数为从机寄存器地址 第4个参数为从机寄存器地址长度 第5个参数为发送的数据的起始地址 第6个参数为传输数据的大小 第7个参数为操作超时时间 　　*/

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设备，比方说E2PROM,除了设备地址，每个存储字节都有其对应的地址

参数：

  • *hi2c： I2C设备号指针，设置使用的是那个IIC 例：&hi2c2

  • DevAddress： 从设备地址 从设备的IIC地址 例E2PROM的设备地址 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位或16位

    • 写入数据的字节类型 8位还是16位
    • I2C_MEMADD_SIZE_8BIT
    • I2C_MEMADD_SIZE_16BIT

  • 在stm32f1xx_hal_i2c.h中有定义
    在这里插入图片描述

  • *pData： 需要写入的的数据的起始地址

  • Size： 传输数据的大小 多少个字节

  • Timeout： 最大读取时间，超过时间将自动退出函数

使用HAL_I2C_Mem_Write等于先使用HAL_I2C_Master_Transmit传输第一个寄存器地址，再用HAL_I2C_Master_Transmit传输写入第一个寄存器的数据。可以传输多个数据

void Single_WriteI2C(uint8_t REG_Address,uint8_t REG_data)
{ 
   
    uint8_t TxData[2] = { 
   REG_Address,REG_data};
    while(HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1,I2C1_WRITE_ADDRESS,(uint8_t*)TxData,2,1000) != HAL_OK)
    { 
   
        if (HAL_I2C_GetError(&hi2c1) != HAL_I2C_ERROR_AF)
                { 
   
                  Error_Handler();
                }
    }
}

在传输过程，寄存器地址和源数据地址是会自加的。

至于读函数也是如此，因此用HAL_I2C_Mem_Write和HAL_I2C_Mem_Read，来写读指定设备的指定寄存器数据是十分方便的，让设计过程省了好多步骤。

举例：

8位：

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2, ADDR, i, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8, 1000);

HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2, ADDR, i, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8, 1000);

16位：

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2, ADDR, i, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8, 1000);

HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2, ADDR, i, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&(I2C_Buffer_Write[i]),8, 1000);

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

硬件IIC读取AT24C02

在mian.c文件前面声明，AT24C02 写地址和读地址 ，定义写数据数组，和读数据数组

/* USER CODE BEGIN PV */
#include <string.h>

#define ADDR_24LCxx_Write 0xA0
#define ADDR_24LCxx_Read 0xA1
#define BufferSize 256
uint8_t WriteBuffer[BufferSize],ReadBuffer[BufferSize];
uint16_t i;
/* USER CODE END PV */

重新定义printf函数

在 stm32f4xx_hal.c中包含#include <stdio.h>

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>
extern UART_HandleTypeDef huart1;   //声明串口

在 stm32f4xx_hal.c 中重写fget和fput函数

/** * 函数功能: 重定向c库函数printf到DEBUG_USARTx * 输入参数: 无 * 返 回 值: 无 * 说 明：无 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{ 
   
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

/** * 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx * 输入参数: 无 * 返 回 值: 无 * 说 明：无 */
int fgetc(FILE *f)
{ 
   
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

在main.c中添加

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	for(i=0; i<256; i++)
    WriteBuffer[i]=i;    /* WriteBuffer init */


		printf("\r\n***************I2C Example Z小旋测试*******************************\r\n");
			for (int j=0; j<32; j++)
        { 
   
                if(HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Write, 8*j, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,WriteBuffer+8*j,8, 1000) == HAL_OK)
                { 
   
                                printf("\r\n EEPROM 24C02 Write Test OK \r\n");
                        HAL_Delay(20);
                }
                else
                { 
   
                         HAL_Delay(20);
                                printf("\r\n EEPROM 24C02 Write Test False \r\n");
                }
		}
		/* // wrinte date to EEPROM 如果要一次写一个字节，写256次，用这里的代码 for(i=0;i<BufferSize;i++) { HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Write, i, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&WriteBuffer[i],1，0xff);//使用I2C块读，出错。因此采用此种方式，逐个单字节写入 HAL_Delay(5);//此处延时必加，与AT24C02写时序有关 } printf("\r\n EEPROM 24C02 Write Test OK \r\n"); */

		HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Read, 0, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,ReadBuffer,BufferSize, 0xff);

		for(i=0; i<256; i++)
			printf("0x%02X ",ReadBuffer[i]);
			
  /* USER CODE END 2 */

注意事项：

  • AT24C02的IIC每次写之后要延时一段时间才能继续写 每次写之后要delay 5ms左右 不管硬件IIC采用何种形式（DMA，IT），都要确保两次写入的间隔大于5ms;
  • 读写函数最后一个超时调整为1000以上 因为我们一次写8个字节，延时要久一点
  • AT24C02页写入只支持8个byte，所以需要分32次写入。这不是HAL库的bug，而是AT24C02的限制，其他的EEPROM可以支持更多byte的写入。

当然，你也可以每次写一个字节，分成256次写入，也是可以的 那就用注释了的代码即可

		/* // wrinte date to EEPROM 如果要一次写一个字节，写256次，用这里的代码 for(i=0;i<BufferSize;i++) { HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDR_24LCxx_Write, i, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&WriteBuffer[i],1，0xff);//使用I2C块读，出错。因此采用此种方式，逐个单字节写入 HAL_Delay(5);//此处延时必加，与AT24C02写时序有关 } printf("\r\n EEPROM 24C02 Write Test OK \r\n"); */
  • 注意读取AT24C02数据的时候延时也要久一点，否则会造成读的数据不完整

在这里插入图片描述
经测试，例程正常
在这里插入图片描述

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