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

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

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

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

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

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

stm32f4xx_hal.c中包含#include <stdio.h>

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

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;
}

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

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

版权声明:本文为CSDN博主「Z小旋」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
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Z小旋

我还没有学会写个人说明!

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