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

全栈程序员站长

发布于 2022-06-27 08:31:50

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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。

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。

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

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。

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，

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。

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：

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

向AT24C02中写数据

操作时序：

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
等待应答信号(ACK)
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。
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。
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

2、读随机地址的数据

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
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。
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。
重新发送开始信号(START)
发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)
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
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

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

2 IIC设置

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

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

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

1 设置项目名称
2 设置存储路径
3 选择所用IDE

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

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

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

*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"); */