STM32的IIC通信課堂教學方法的探討

侯鳳云　蔡曉龍

摘 要 隨著嵌入式系統主頻的提高，串行通信的地位逐步提高。STM32的同步串行口IIC通信效率高，占用資源少。本文介紹了STM32的IIC通信的教學方法，以24C02為從機，解析了STM32和24C02之間模擬IIC通信的實現過程。首先敘述了IIC通信基礎，然后分析了STM32和24C02的接口電路設計，最后是軟件的實現。

關鍵詞 STM32 IIC通信 課堂教學

0引言

IIC 即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線），是由飛利浦半導體公司在八十年代初設計出來的一種簡單、雙向、二線制、同步串行總線。

IIC是多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結構下，同時每個芯片都可以作為實時數據傳輸的控制源，簡化了信號傳輸總線接口。IIC總線是各種總線中使用信號線最少，并具有自動尋址、多主機時鐘同步和仲裁等功能的總線。使用IIC總線搭建計算機系統方便靈活，體積小，隨著嵌入式系統主頻的提高，IIC在嵌入式系統中得到了廣泛應用。

1 STM32的IIC通信基礎

1.1 IIC總線結構

IIC總線一般有兩根信號線，數據線SDA和時鐘線SCL。IIC總線是多主機的總線，所有接到IIC總線上的設備數據線都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線接到總線的SCL上，連接關系如圖1所示。

多主機情況由總線仲裁功能解決，主機能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率，任何時間點上只能有一個主機。每個連接到總線的器件可以通過唯一的地址和主機聯系，主機可以是發送器或接收器。一般情況下SDA、SCL接上拉電阻，實現電平的轉換以及提高驅動能力，當總線空閑時這兩條線路都是高電平。

IIC時序是SCL和SDA兩根信號線上的電平變化順序，IIC正常通信時必須遵守一定的時序要求，時序信號如圖2所示。

根據時序圖進行分析：總線空閑狀態時，SDA和SCL兩條信號線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線；啟動信號START，時鐘信號SCL保持高電平，數據信號SDA的電平被拉低（即負跳變）。啟動信號必須是跳變信號，而且在建立該信號前必修保證總線處于空閑狀態；停止信號STOP，時鐘信號SCL保持高電平，數據線被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），停止信號也必須是跳變信號；數據傳輸過程中，數據線SDA上的數據狀態在時鐘線SCL的高電平期間必須保持穩定，只有在SCL線為低電平期間，SDA上的電平允許變化；應答信號ACK，IIC總線的數據都是以字節（8位）的方式傳送的，發送器件每發送一個字節之后，在SCL的第9個脈沖期間釋放數據總線，由接收器發送一個ACK（把數據總線的電平拉低）來表示數據成功接收；無應答信號NACK，在SCL的第9個脈沖期間發送器釋放數據總線，接收器不拉低數據總線表示一個NACK，NACK有兩種用途，一種表示接收器未成功接收數據字節，另一種是當接收器是主機時，接收到最后一個字節后，發送一個NACK信號，通知發送器結束數據發送，主機發送停止信號STOP。

2 IIC的接口電路設計

以24C02為例介紹IIC的接口電路，24C02是一種256B的可電擦除EEPROM，通過IIC協議與STM32進行通信，讀寫方便，廣泛應用于智能儀器、汽車電子、家用電器等場合。

接口電路如圖3所示。24C02的A2、A1、A0為地址位，用于級聯，由于電路中僅1片24C02，3個端口接地即可；WP為寫保護，接地時可進行讀、寫操作；24C02的SCL是時鐘線，SDA是信號線，分別接STM32的PB10、PB11端子，并且外接上拉電阻至3.3V電源。

STM32的PB10、PB11也是硬件IIC接口，為了靈活選用端子、方便移植，這里采用模擬IIC方式通信。

通過操作兩個I/O端口的高、低電平滿足時序要求，從而實現IIC通信，就是模擬IIC。下面介紹軟件的實現過程。

3軟件實現

3.1 IIC尋址方式

圖3中24C02的地址以字節表示。地址字節的高7位表示從機地址，其中高4位屬于固定地址，由廠家統一規定；低3位為引腳設定地址，由外部引腳電平狀態來設定。圖3中的IIC設備是AT24C02，高4位由廠家規定為1010，低3位是000。

地址字節的最低位（LSB）是讀/寫控制位，0表示主機向從機寫入信息，1表示主機由從機讀取信息。

3.2 IIC通信流程

IIC通信包括寫入和讀取兩個過程，以啟動信號START來掌控總線，以停止信號STOP來釋放總線；每次通信以START開始，以STOP結束。每個數據字節在傳送時都是高位（MSB）在前。注意編寫程序時，參考STM32用戶手冊中IIC通信要求的精確時序，可采用SysTick定時器。

寫入的通信流程如下：

（1）主機在檢測到總線空閑的狀況下，發出START信號。

（2）發送一個地址字節（上述例子的地址是10100000），表示寫入，等待從機應答信號ACK。

（3）主機收到ACK后，發送要寫入的器件地址單元，等待從機應答信號ACK。

（4）主機收到ACK后，開始發送第一個數據字節。

（5）從機收到數據字節后發送一個ACK表示繼續傳送數據，發送NACK表示傳送數據結束。

（6）主機發送全部數據后，發出STOP信號，結束通信并且釋放總線。

讀取的通信流程如下：

（1）主機在檢測到總線空閑的狀況下，發出START信號。

（2）發送一個地址字節（上述例子的地址是1010000），等待從機應答信號ACK。

（3）主機收到ACK后，發送要讀取的器件地址單元，等待從機應答信號ACK。

（4）主機收到ACK后，啟動START信號，發送一個地址字節（上述例子的地址是10100001），表示接收，等待從機應答信號ACK。

（5）主機收到ACK后釋放數據總線，開始接收第一個數據字節。

（6）主機收到數據后發送ACK表示繼續傳送數據，發送NACK表示傳送數據結束。

（7）主機接收全部數據后，發出STOP信號，結束通信并且釋放總線。

根據上述IIC的通信流程和時序要求，進行程序的編寫，會用到下列函數：啟動信號函數、停止信號函數、等待應答函數、產生應答函數、不產生應答函數、發送字節函數、接收字節函數等，不一一列寫。

4小結

實現模擬IIC通信，重點是先理解IIC的通信時序，根據IIC通信器件要求設計硬件接口電路，然后弄清楚讀取和寫入的通信流程，完成程序的編寫。通過實驗能夠進一步理解和掌握模擬IIC通信方法。