CH03-06-STM32F40x的I2C通信模塊原理

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理》STM32F40x的I2C通信模塊原理主講人：賴樹明東莞理工學(xué)院05I2C總線控制與應(yīng)用作業(yè)01I2C總線介紹02I2C總線時序03I2C總線時序編程04FT5206觸摸屏驅(qū)動示例01I2C總線介紹總線概述總線物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線通信原理總線特征I2C總線與UART比較I2C總線介紹總線概述01I2C又稱IIC，即Inter-IntegratedCircuit(內(nèi)部集成電路）。I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行同步通信總線。I2C總線有兩根雙向信號線，一根數(shù)據(jù)線SDA，另一根時鐘線SCL。簡介I2C總線應(yīng)用非常廣泛，尤其在傳感器類芯片中，如溫度濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器，觸摸屏傳感器、加速度傳感器。應(yīng)用I2C總線介紹總線物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)01拓普結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)，一條總線并聯(lián)多個設(shè)備，任何一時刻，只能有一個是主機(jī)，其他是從機(jī)?？偩€上每個從機(jī)都有一個惟一的設(shè)備地址，用于供主機(jī)尋址。通信只能由主機(jī)發(fā)起，主機(jī)對總線具備有絕對的控制權(quán)。IIC設(shè)備的接口內(nèi)部是開漏輸出，無法輸出高電平，在硬件設(shè)計中，SDA,SCL線必須有上拉電阻，通過上拉電阻實現(xiàn)高電平輸出，上拉電阻一般在4.7K~100K之間。I2C總線介紹總線通信原理01數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)發(fā)送起始信號發(fā)送從機(jī)地址，并指明操作類型（讀或?qū)懀┓较蛭唬?表示讀數(shù)據(jù)，0表示寫數(shù)據(jù)。等待從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號。傳輸數(shù)據(jù)：如果是寫操作則主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果讀操作，則主機(jī)接收數(shù)據(jù)。應(yīng)答周期：如果是寫操作，則從機(jī)發(fā)送應(yīng)答，如果是讀操作，則主機(jī)發(fā)送應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳送完畢后，主機(jī)發(fā)送停止總線信號。數(shù)值傳遞時先發(fā)送數(shù)據(jù)高位，再發(fā)送數(shù)據(jù)低位。傳輸說明I2C總線介紹總線特征01通信只能由主機(jī)主動發(fā)起，主機(jī)對通信過程具備絕對的控制權(quán)。I2C總線數(shù)據(jù)傳輸速率：標(biāo)準(zhǔn)模式可達(dá)100kbit/s（所有器件都支持）;快速模式可達(dá)400kbit/s（大部分器件支持）高速模式可達(dá)3.4Mbit/s（少量新型器件支持）數(shù)據(jù)傳輸只能以字節(jié)(8位)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，先發(fā)送高位，再發(fā)送低位。同一時刻只能有一個設(shè)備是主設(shè)備，其他都是從設(shè)備，從設(shè)備地址是唯一的。通常MCU設(shè)備作為主設(shè)備，其他作為從設(shè)備（有多個MCU時總線會自動仲裁）。I2C設(shè)備地址有兩種：7位地址和10位地址，其中7位地址的器件較常見。同一條總線上可以同時有7位地址設(shè)備和10位地址設(shè)備共存。重要特征I2C總線介紹總線特征01設(shè)備地址組成：由固化地址和可編程地址構(gòu)成：固化地址：芯片出廠就固定了；可編程地址：由使用都硬件設(shè)計或軟件配置決定的。示例：At24C02芯片設(shè)備地址：地址7位：高4位是固定為1010，這部分地址稱為固化地址

低3位是：A2~A0,可編程地址，由硬件設(shè)計決定一條總線上可掛載的設(shè)備數(shù)量：理論上，只要能保證每個從設(shè)備地址惟一，7位地址模式可以掛載127個設(shè)備，10位地址掛載1023個設(shè)備（0不能用于設(shè)備地址），但是I2C總線上可掛接的設(shè)備數(shù)量受總線最大電容400pF限制。思考：一條總線可以接多少個AT24C02？8個??！重要特征I2C總線介紹I2C總線與UART比較01特征對比名稱IIC總線UART通信方式同步、半雙工異步、全雙工數(shù)據(jù)位長度8位5~8位通信速度標(biāo)準(zhǔn)三種模式（實際上也要可以是極限速度下任何一個速度）很多種（但是一般都有固定的速度）結(jié)構(gòu)主從設(shè)備通信不分主設(shè)備與從設(shè)備02I2C總線通信時序起始和停止條件應(yīng)答和非應(yīng)答信號三種通信過程時序波形I2C總線通信時序起始和停止條件時序02空閑狀態(tài)：不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時SDA和SCL狀態(tài)，都維持高電平。起始條件：SCL為高電平期間，SDA線由高到低電平，SCL線為低電平。停止條件：SCL為高電平期間，SDA線由低電平到高電平。時序描述時序波形I2C總線通信時序應(yīng)答和非應(yīng)答信號02起始條件+8位數(shù)據(jù)(高位在前)+應(yīng)答/非應(yīng)答信號+停止條件。數(shù)據(jù)位：SCL線為低電平準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，SCL線為高電平采集數(shù)據(jù)。應(yīng)答/非應(yīng)答信號：在每傳輸1字節(jié)后，跟隨一個應(yīng)答位：SCL高電平期間，低電平表示應(yīng)答信號，高電平表示非應(yīng)答信號。應(yīng)答信號/非應(yīng)答信號是由接收方發(fā)出，發(fā)送方檢測。時序描述主機(jī)寫操作I2C總線通信時序三種通信過程02主機(jī)：1）發(fā)送起始條件

2）

發(fā)送7位地址數(shù)據(jù)(高位在前)+寫方向；3）檢測從機(jī)發(fā)的

應(yīng)答/非應(yīng)答信號;4）有應(yīng)答時開始發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù);5）檢測從機(jī)發(fā)的應(yīng)答/非應(yīng)答信號;6）循環(huán)執(zhí)行4，5兩步發(fā)送數(shù)據(jù)；7）發(fā)送停止條件，終止本次通信時序描述主機(jī)讀操作I2C總線通信時序三種通信過程02主機(jī)：1）發(fā)送起始條件

2）

發(fā)送7位地址數(shù)據(jù)(高位在前)+讀方向;3）檢測從機(jī)發(fā)的

應(yīng)答/非應(yīng)答信號;4）有應(yīng)答時開始接收1字節(jié)數(shù)據(jù);5）發(fā)應(yīng)答信號給從機(jī)（不需要更多數(shù)據(jù)時發(fā)送非答應(yīng)信號）;6）循環(huán)執(zhí)行4，5兩步接收數(shù)據(jù)；7）發(fā)送停止條件，終止本次通信時序描述主機(jī)讀寫切換I2C總線通信時序三種通信過程02IIC總線允許讀/寫過程中不停止總線而直接重新發(fā)送起始條件，來切換讀/寫操作，或重啟總線重復(fù)原來的讀寫操作。時序描述03模擬I2C總線時序編程初始化函數(shù)起始條件實現(xiàn)停止條件實現(xiàn)發(fā)送應(yīng)答信號實現(xiàn)接收應(yīng)答信號實現(xiàn)發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)voidIIC_GpioInit(void){RCC->AHB1ENR|=(1<<1);//PB使能

/*PB8---SCL*/GPIOB->MODER&=~(3<<16);GPIOB->MODER|=(1<<16);//PB8通用輸出

GPIOB->OTYPER|=(1<<8);//輸出開漏

/*PB9---SDA*/GPIOB->MODER&=~(3<<18);GPIOB->MODER|=(1<<18);//PB9通用輸出

GPIOB->OTYPER|=(1<<9);//PB9開漏輸出開漏

GPIOB->PUPDR&=~(3<<18);GPIOB->PUPDR|=(1<<18);//PB9上拉

/*初始化為空閑狀態(tài)*/

SCL_H();SDA_H();}模擬I2C總線時序編程初始化函數(shù)03使用GPIO模擬IIC總線，IO引腳配置為普通輸入輸出模式（非復(fù)用功能）。SCL和SDA引腳配置為開漏輸出。當(dāng)要讀取數(shù)據(jù)時動態(tài)修改SDA為輸入方向。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時動態(tài)修改SDA為輸出方向。后面示例以PB8,PB9兩個IO口為例子：

PB8--SCL,PB9--SDA#defineSCL_H()(GPIOB->BSRRL=1<<8)#defineSCL_L()(GPIOB->BSRRH=1<<8)#defineSDA_H()(GPIOB->BSRRL=1<<9)#defineSDA_L()(GPIOB->BSRRH=1<<9)#defineRD_SDA()(!!(GPIOB->IDR&1<<9))代碼實現(xiàn)宏定義GPIO配置時序波形voidIIC_Start(void){SCL_H();//剛開始，IIC總線為高電平

SDA_H();//剛開始，IIC總線為高電平iic_delay();//起始信號的建立時間

SDA_L();//產(chǎn)生下降沿

iic_delay();//起始信號的保持時間

SCL_L();//為后面數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備}相關(guān)操作模擬I2C總線時序編程起始條件實現(xiàn)03SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的函數(shù)代碼實現(xiàn)時序波形voidIIC_Stop(void){SDA_L();//拉低SDA線SCL_H();//時鐘線準(zhǔn)備為高電平

iic_delay();//停止信號的建立時間。

SDA_H();//拉高數(shù)據(jù)線，產(chǎn)生上升沿。

iic_delay();//延時}相關(guān)操作模擬I2C總線時序編程停止條件實現(xiàn)03SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的函數(shù)代碼實現(xiàn)時序波形//ack0：表示應(yīng)答；1：表示非應(yīng)答voidIIC_send_ack(u8ack){ack?SDA_H():SDA_L();

iic_delay();//延時SCL_H();//穩(wěn)定數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)

iic_delay();//延時

SCL_L();//拉低}模擬I2C總線時序編程發(fā)送應(yīng)答信號實現(xiàn)03相關(guān)操作SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的函數(shù)時序波形/*備注：返回：0表示應(yīng)答，1表示非應(yīng)答*/u8IIC_check_ack(void){u8is_ack=0;SCL_L();//讓從設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

SDA_H();//釋放SDA線的控制權(quán)

iic_delay();//延時

SCL_H();//穩(wěn)定SDA線數(shù)據(jù)

is_ack=RD_SDA();//讀數(shù)據(jù)

iic_delay();SCL_L();//完整周期returnis_ack;//返回應(yīng)答/非應(yīng)答}模擬I2C總線時序編程接收應(yīng)(非)答信號實現(xiàn)03相關(guān)操作SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用RD_SDA()：讀取SDA線電平狀態(tài)宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的延時函數(shù)時序波形//返回：0應(yīng)答，發(fā)送成功;1非應(yīng)答，發(fā)送失敗u8IIC_WriteByte(u8data){u8i,ack;for(i=0;i<8;i++){

//發(fā)送數(shù)據(jù)0或1到SDA線上

(data&0x80)?SDA_H():SDA_L();iic_delay();//延時SCL_H();//穩(wěn)定數(shù)據(jù)

iic_delay();//延時SCL_L();//準(zhǔn)備發(fā)下一位數(shù)據(jù)。

data<<=1;//移動下一位待發(fā)數(shù)據(jù)}ack=IIC_check_ack();//檢測應(yīng)答信號returnack;}模擬I2C總線時序編程發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)03相關(guān)操作SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的延時函數(shù)代碼實現(xiàn)要點：時序波形//接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，并且發(fā)送應(yīng)答/非應(yīng)答//參數(shù)：ack為1表示發(fā)送非應(yīng)答，為0發(fā)送應(yīng)答//返回：接收到的數(shù)據(jù)u8IIC_ReadByte(u8ack){u8i,buf=0;SDA_H();//主機(jī)釋放SDA數(shù)據(jù)線

for(i=0;i<8;i++){iic_delay();//延時

SCL_H();buf<<=1;//移出最低位//讀取1bit數(shù)據(jù),保存到最低位

buf|=RD_SDA();

iic_delay();//延時

SCL_L();//準(zhǔn)備接收下一位數(shù)據(jù)

}IIC_send_ack(ack);returnbuf;}模擬I2C總線時序編程接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)03相關(guān)操作SCL_H()：拉高SCL線的宏調(diào)用SCL_L()：是拉低SCL線的宏調(diào)用SDA_H()：是拉高SDA線的宏調(diào)用SDA_L()：是拉低DA線的宏調(diào)用iic_delay:是滿足I2C時延要求的延時函數(shù)代碼實現(xiàn)04FT5206觸摸屏驅(qū)動示例(可選內(nèi)容：學(xué)員根據(jù)興趣選擇性學(xué)習(xí))芯片介紹讀時序分析重要寄存器硬件原理圖分析軟件設(shè)計內(nèi)部框架圖FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04AFE：觸摸面板接口電路，連接電容觸摸屏面板，用于做觸點數(shù)據(jù)采集。外部接口電路：I2C，SPI,UART，GPIO，INT，WAKE，/RSTMCU內(nèi)核：內(nèi)置一個8051單片機(jī)電路核心EAC：電源，時鐘，功耗管理的電路主機(jī)接口圖FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04詳細(xì)芯片手冊：FT5x06_DS.pdfFT5206-書簽版.pdfFT5206-書簽版.pdf設(shè)備地址FT5x06支持I2CorSPI接口設(shè)備地址：由I2CCON控制器內(nèi)容決定，A[6:4]:固定011，其中A[3:0]是由當(dāng)前運(yùn)行的單片機(jī)程序決定，本實驗箱使用的FT5X06芯片設(shè)備地址是0X38，（二進(jìn)制：0111000），讀數(shù)據(jù)發(fā)出的地址字節(jié)是0x71（二進(jìn)制：01110001），寫數(shù)據(jù)發(fā)出的地址字節(jié)是0x70（二進(jìn)制：01110000）。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04復(fù)位芯片芯片上電需要對它進(jìn)行復(fù)位，保證芯片內(nèi)部邏輯電平是正確的，復(fù)位時序很簡單，只需要拉低REST引用一段時間，然后重新拉高即可。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04讀取據(jù)方法1FT5206觸摸屏驅(qū)動示例芯片介紹04讀取據(jù)方法1FT5206觸摸屏驅(qū)動示例讀寫序分析04寫數(shù)據(jù)時序主機(jī)與觸摸屏芯片通信流程：起始信號

從機(jī)地址+寫方向

檢測應(yīng)答

發(fā)送寄存器地址

檢測應(yīng)答

循環(huán)[發(fā)送數(shù)據(jù)

檢測應(yīng)答]

發(fā)送停止信號FT5206觸摸屏驅(qū)動示例讀寫序分析04讀取數(shù)據(jù)時序主機(jī)與觸摸屏芯片通信流程：起始信號

從機(jī)地址+寫方向

檢測應(yīng)答

發(fā)送寄存器地址

檢測應(yīng)答

發(fā)送停止信號;起始信號

從機(jī)地址+讀方向

檢測應(yīng)答

循環(huán)[讀取數(shù)據(jù)地址

發(fā)送應(yīng)答]發(fā)送停止信號;寄存器說明寄存器名稱：工作模式寄存器(0x00)寄存器作用：該寄存器用于設(shè)置FT5206的工作模式。MODE[2：0]用于控制FT5206的工作模式，一般設(shè)置為：000b，表示正常工作模式。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例重要寄存器04寄存器說明寄存器名稱：中斷狀態(tài)控制寄存器(0xA4)寄存器作用：該寄存器用于設(shè)置FT5206的工作模式。MODE[2：0]用于控制FT5206的工作模式，一般設(shè)置為：000b，表示正常工作模式。寄存器說明寄存器名稱：有效觸摸門限控制寄存器(0X80)寄存器作用：該寄存器用于設(shè)置FT5206的有效觸摸門限值。該寄存器8位數(shù)據(jù)都有效，用于設(shè)置FT5206有效觸摸的門限值，計算公式為：有效觸摸門限值=T[7:0]*4T[7:0]所設(shè)置的值越小，觸摸越靈敏，默認(rèn)狀態(tài)下T[7:0]=70。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例重要寄存器04寄存器說明寄存器名稱：激活周期控制寄存器(0X88)寄存器作用：該寄存器用于設(shè)置FT5206的激活周期。該寄存器只有低4位有效，用于設(shè)置FT5206的激活周期。P[3:0]的設(shè)置范圍為：3~14，不過建議一般不要小于12。寄存器說明寄存器名稱：

觸摸狀態(tài)寄存器(0X02)寄存器作用：寄存器用于讀取FT5206的觸摸狀態(tài)。該寄存器只有低4位有效，TD[3:0]的取值范圍是：1~5，表示有多少個有效觸摸點。我們可以根據(jù)這個寄存器的值來判斷有效觸摸點的個數(shù)，然后通過0X03/0X09/0X0F/0X15和0X1B等寄存器來讀取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例重要寄存器04寄存器說明寄存器名稱：觸摸數(shù)據(jù)寄存器(0X03~0X1E)寄存器作用：這里總共包括20個寄存器，他們是：0X03~0X06、0X09~0X0C、0X0F~0X12、0X15~0X18、0X1B~0X1E。每4個寄存器為1組，表示一個觸摸點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，比如0X03~0X06，則表示觸摸點1的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其他的以此類推。。FT5206觸摸屏驅(qū)動示例重要寄存器04EventFLAG：用于表示觸摸狀態(tài)：00按下；01松開；10持續(xù)觸摸；11保留。一般我們只需要判斷該狀態(tài)為10即可，即持續(xù)觸摸狀態(tài)，就可以穩(wěn)定的讀取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù)了。TouchID：觸點ID號，裸機(jī)中一般用不到，在Linux系統(tǒng)中使用時比較有用，用于實現(xiàn)觸點追蹤功能。X[11:8]<<8|X[7:0]:是X坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以12位的形式表示，分兩個寄存器存儲。Y[11:8]<<8|Y[7:0]:是Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以12位的形式表示，分兩個寄存器存儲。原理圖說明查看STM32F407物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺-智能網(wǎng)關(guān)原理圖.pdf文檔，觸摸屏硬件設(shè)置原理圖如下所示：原理圖分析物聯(lián)網(wǎng)實驗箱主控與FT5206之間的通訊接口采用IIC接口模式，F(xiàn)T5206的七位器件地址為0X38（寫地址：