I2C接口簡介

I2C接口是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成，在標(biāo)準(zhǔn)模式下通信速度可達(dá)到100kHz，快速模式下則可以達(dá)到400kHz，增強(qiáng)快速模式可達(dá)到1MHz。一幀數(shù)據(jù)傳輸從開始信號開始，在結(jié)束信號后停止，在收到開始信號后總線被認(rèn)為是繁忙的，當(dāng)收到結(jié)束信號后，總線被認(rèn)為再次空閑。I2C接口具有主機(jī)和從機(jī)模式、多主機(jī)功能、可編程建立和保持時間、時鐘延展功能、DMA存取數(shù)據(jù)、支持SMBus 2.0協(xié)議等特點(diǎn)。

圖1. I2C框圖

I2C接口通信

主機(jī)通信流程

主機(jī)通信初始化1. 主機(jī)時鐘初始化在啟動外設(shè)(I2CEN)之前，必須先設(shè)置I2Cx_CLKCTRL寄存器的各個位用以配置I2C主時鐘。

• DIV[7:0]：I2C時鐘分頻；
• SDAD[3:0]：數(shù)據(jù)保持時間（tHD;DAT）
• SCLD[3:0]：數(shù)據(jù)建立時間（tSU;DAT）
• SCLH[7:0]：SCL高電平時間
• SCLL[7:0]：SCL低電平時間

該寄存器的配置可以使用Artery_I2C_Timing_Configuration時鐘配置工具計(jì)算，見第三章節(jié)。低電平控制：當(dāng)檢測到SCL總線為低電平時，內(nèi)部SCLL計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到SCLL值時，釋放SCL線，SCL線變?yōu)楦唠娖健８唠娖娇刂疲寒?dāng)檢測到SCL總線為高電平時，內(nèi)部SCLH計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到SCLH值時，拉低SCL線，SCL線變?yōu)榈碗娖剑?dāng)在高電平期間，如果被外部總線拉低，那么內(nèi)部SCLH計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并開始低電平計(jì)數(shù)，這為時鐘同步提供了條件。圖2. 主機(jī)時鐘的產(chǎn)生

2. 主機(jī)通信初始化在啟動通訊前須先設(shè)定I2C_CTRL2寄存器中的幾項(xiàng)參數(shù)：

1) 設(shè)置傳輸字節(jié)數(shù)

• ≤255字節(jié)配置I2C_CTRL2的RLDEN=0，關(guān)閉重載模式配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=N
• ＞255字節(jié)配置I2C_CTRL2的RLDEN=1，使能重載模式配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=255剩余傳輸字節(jié)數(shù)N=N-255

2) 設(shè)置傳輸結(jié)束模式

• ASTOPEN=0：軟件結(jié)束模式，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，I2C_STS的TDC標(biāo)志置1，軟件設(shè)置GENSTOP=1或者GENSTART=1，發(fā)送STOP條件或者START條件。
• ASTOPEN=1：自動結(jié)束模式，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，自動發(fā)送STOP條件。

3) 設(shè)置從機(jī)地址

• 設(shè)置尋址的從機(jī)地址值（I2C_CTRL2的SADDR）
• 設(shè)置從機(jī)地址模式（I2C_CTRL2的ADDR10）ADDR10=0：7位地址模式ADDR10=1：10位地址模式

4) 設(shè)置傳輸方向（I2C_CTRL2的DIR）

• DIR=0：主機(jī)接收數(shù)據(jù)
• DIR=1：主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

5) 開始傳輸設(shè)置I2C_CTRL2的GENSTART=1，主機(jī)開始在總線上發(fā)送START條件和從機(jī)地址。3. 主機(jī)10bits尋址的特殊時序初始化在10位地址傳輸模式下，I2C_CTRL2的READH10用于產(chǎn)生特殊時序，當(dāng)READH10=1時，支持如下傳輸序：主機(jī)先發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)，然后再從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)，傳輸時序圖如下圖所示：

圖3. 10位地址的讀訪問READH10=1

主機(jī)在軟件結(jié)束模式（ASTOPEN=0）下，發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后設(shè)置READH10=1，然后再從從機(jī)接收數(shù)據(jù)。圖4. 10位地址的讀訪問READH10=0

主機(jī)通信初始化軟件接口

主機(jī)通信初始化所用到的軟件接口通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：

i2c_init函數(shù)三個參數(shù)分別為：所使用的I2C、數(shù)字濾波值和主機(jī)時鐘配置值。i2c_transmit_set函數(shù)用于初始化通信參數(shù)，包括：所使用的I2C、從機(jī)地址、傳輸字節(jié)數(shù)、停止條件產(chǎn)生模式和起始條件產(chǎn)生模式。i2c_addr10_mode_enable函數(shù)用于使能10位地址模式。i2c_addr10_header_enable函數(shù)用于使能10位地址頭讀取時序，即主機(jī)發(fā)送完整的10位從機(jī)地址讀序列或主機(jī)只發(fā)送10位地址的前7位。

主機(jī)發(fā)送流程

1)I2C_TXDT數(shù)據(jù)寄存器為空，I2C_STS的TDIS=1；2) 向TXDT數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開始發(fā)送；3) 重復(fù)1、2步驟直到發(fā)送CNT[7:0]個數(shù)據(jù)；4) 如果此時I2C_STS的TCRLD=1（重載模式），分為以下兩種情況：

• 剩余字節(jié)數(shù)N>255：向CNT寫入255，N=N-255，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)；
• 剩余字節(jié)數(shù)N≤255：關(guān)閉重載模式（RLDEN=0），向CNT寫入N，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)。

5) 結(jié)束時序

• 停止條件產(chǎn)生：軟件結(jié)束模式（ASTOPEN=0）：此時I2C_STS的TDC置1，設(shè)置GENSTOP=1產(chǎn)生STOP條件；自動結(jié)束模式（ASTOPEN=1）：自動產(chǎn)生STOP條件。
• 等待產(chǎn)生STOP條件，當(dāng)STOP條件產(chǎn)生時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標(biāo)志，傳輸結(jié)束。

圖5. I2C主機(jī)發(fā)送流程圖

圖6. I2C主機(jī)發(fā)送時序圖

主機(jī)發(fā)送流程軟件接口

主機(jī)發(fā)送通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：

i2c_master_transmit函數(shù)為i2c_application.c文件所提供的應(yīng)用層接口函數(shù)，參數(shù)包括：I2C結(jié)構(gòu)體指針、從機(jī)地址、發(fā)送數(shù)據(jù)指針、發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和函數(shù)超時時間。注：此函數(shù)為Artery所提供的標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)發(fā)送函數(shù)。用戶也可根據(jù)前述主機(jī)發(fā)送流程，自行編寫主機(jī)發(fā)送函數(shù)。

主機(jī)接收流程

1) 當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，RDBF=1，讀取RXDT數(shù)據(jù)寄存器，RDBF被自動清零；2) 重復(fù)步驟2直到接收CNT[7:0]個數(shù)據(jù)；3) 如果此時I2C_STS的TCRLD=1（重載模式），分為以下兩種情況：

• 剩余字節(jié)數(shù)N>255：向CNT寫入255，N=N-255，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)；
• 剩余字節(jié)數(shù)N≤255：關(guān)閉重載模式（RLDEN=0），向CNT寫入N，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)。

4) 當(dāng)在接收到最后一個字節(jié)時，主機(jī)會自動發(fā)送一個NACK。

5) 結(jié)束時序

• 停止條件產(chǎn)生：軟件結(jié)束模式（ASTOPEN=0）：此時I2C_STS的TDC置1，設(shè)置GENSTOP=1產(chǎn)生STOP條件；自動結(jié)束模式（ASTOPEN=1）：自動產(chǎn)生STOP條件。
• 等待產(chǎn)生STOP條件，當(dāng)STOP條件產(chǎn)生時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標(biāo)志，傳輸結(jié)束。

圖7. I2C主機(jī)接收流程圖

圖 8. I2C主機(jī)接收時序圖

主機(jī)接收流程軟件接口

主機(jī)接收通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：

i2c_master_receive函數(shù)為i2c_application.c文件所提供的應(yīng)用層接口函數(shù)，參數(shù)包括：I2C結(jié)構(gòu)體指針、從機(jī)地址、接收數(shù)據(jù)指針、接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和函數(shù)超時時間。注：此函數(shù)為Artery所提供的標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)接收函數(shù)。用戶也可根據(jù)前述主機(jī)接收流程，自行編寫主機(jī)接收函數(shù)。

從機(jī)通信流程

從機(jī)通信初始化1. 從機(jī)地址配置每個I2C從設(shè)備可同時支持2個從設(shè)備地址，由OADDR1和OADDR2指定I2C_OADDR1

• 通過ADDR1EN使能
• 通過ADDR1MODE配置為7位（默認(rèn)）或10位地址

I2C_OADDR2

• 通過ADDR2EN使能
• 固定7位地址模式
• 可通過ADDR2MASK[2:0]來在進(jìn)行地址匹配比較時屏蔽掉0~7個LSB地址位ADDR2MASK=0表示7位地址中的每一位都要參與匹配比較ADDR2MASK=7表示任何非保留地址的7位地址都會被該從設(shè)備應(yīng)答

2. 從機(jī)地址匹配當(dāng)I2C啟用的地址選中匹配時，ADDRF中斷狀態(tài)標(biāo)志會被置1，如果ADDRIEN位為1，就會產(chǎn)生一個中斷。如果兩個從地址都使能，在地址匹配產(chǎn)生ADDR中斷時，可以查看狀態(tài)寄存器中的ADDR[6:0]來得知是OADDR1還是OADDR2被尋址了。3. 從機(jī)字節(jié)控制模式（通常SMBus模式下才使用）從設(shè)備可以對每個收到的字節(jié)進(jìn)行應(yīng)答控制。所需配置：SCTRL=1&RLDEN=1&STRETCH=0&CNT≥1從機(jī)字節(jié)控制流程：1) 每收到一個字節(jié)TCRLD置位，時鐘延展于第8和第9個脈沖之間2) 軟件讀取RXDT中的值，并決定是否置位ACK3) 軟件重裝載CNT=1來停止時鐘延展4) 應(yīng)答或非應(yīng)答信號在第9個脈沖時刻出現(xiàn)在總線上注意：置位SCTRL時，必須開啟時鐘延展，即STRETCH=0CNT可以是大于1的值，來實(shí)現(xiàn)多個字節(jié)以自動ACK接收完畢后再啟動應(yīng)答控制，從設(shè)備發(fā)送時推薦關(guān)閉SCTRL，此時無需字節(jié)應(yīng)答控制。

從機(jī)通信初始化軟件接口

從機(jī)通信初始化所用到的軟件接口通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：

i2c_own_address1_set函數(shù)用于配置OADDR1地址模式以及ADDR1地址值。i2c_own_address2_set函數(shù)用于配置ADDR2地址值以及ADDR2屏蔽位。i2c_own_address2_enable函數(shù)用于使能ADDR2地址。i2c_slave_data_ctrl_enable函數(shù)用于使能從機(jī)字節(jié)控制模式。i2c_clock_stretch_enable函數(shù)用于使能從機(jī)時鐘延展功能。i2c_reload_enable函數(shù)用于使能發(fā)送數(shù)據(jù)重載模式。

從機(jī)發(fā)送流程

1) 響應(yīng)主機(jī)地址，匹配時回復(fù)ACK；2)TXDT為空時，置位TDIS，從設(shè)備寫入發(fā)送數(shù)據(jù)；3) 每發(fā)送一個字節(jié)會收到ACK，且置位TDIS；4) 如果收到NACK位：

• 置位NACKF，產(chǎn)生中斷；
• 從設(shè)備自動釋放SCL和SDA（以便主設(shè)備發(fā)送STOP或RESTART）；

5) 如果收到STOP位：

• 置位STOPF，產(chǎn)生中斷；

當(dāng)從機(jī)發(fā)送開啟時鐘延展（STRETCH=0）時，在等待ADDRF標(biāo)志時和發(fā)送前一個數(shù)據(jù)的第9個時鐘脈沖后，會把TXDT中的數(shù)據(jù)拷貝到移位寄存器中，如果此時TDIS還是置位，表示TXDT沒有寫進(jìn)待發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生時鐘延展，如下流程圖：圖9. I2C從機(jī)發(fā)送流程圖

需要注意的是，在時鐘延展關(guān)閉（STRETCH=1）的情況下，如果在將要傳輸數(shù)據(jù)的第一個Bit位開始發(fā)送之前，也就是SDA邊沿產(chǎn)生之前，如果數(shù)據(jù)還未寫入TXDT數(shù)據(jù)寄存器，那么會發(fā)生欠載錯誤，此時I2C_STS的OUF將會置1，并將0xFF發(fā)送到總線。為了能及時的寫入數(shù)據(jù)，可以在通信開始前，先將數(shù)據(jù)寫入到DT寄存器：軟件先將TDBE置1，目的是為了清空TXDT寄存器的數(shù)據(jù)，然后將第一個數(shù)據(jù)寫入TXDT寄存器，此時TDBE清零。圖10. I2C從機(jī)發(fā)送時序圖

從機(jī)發(fā)送流程軟件接口

從機(jī)發(fā)送通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：指針、發(fā)送數(shù)據(jù)指針、發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和函數(shù)超時時間。注：此函數(shù)為Artery所提供的標(biāo)準(zhǔn)從機(jī)發(fā)送函數(shù)。用戶也可根據(jù)前述從機(jī)發(fā)送流程，自行編寫從機(jī)發(fā)送函數(shù)。

從機(jī)接收流程

1) 當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，RDBF=1，讀取RXDT數(shù)據(jù)寄存器，RDBF被自動清零；2) 重復(fù)步驟2直到所有數(shù)據(jù)接收完成；3) 等待收到STOP條件，當(dāng)收到STOP條件時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標(biāo)志，傳輸結(jié)束。圖11. I2C從機(jī)接收流程圖

圖12. I2C從機(jī)接收時序圖

從機(jī)接收流程軟件接口

從機(jī)接收通過獨(dú)立的函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，如下：

i2c_slave_receive函數(shù)為i2c_application.c文件所提供的應(yīng)用層接口函數(shù)，參數(shù)包括：I2C結(jié)構(gòu)體指針、接收數(shù)據(jù)指針、接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和函數(shù)超時時間。注：此函數(shù)為Artery所提供的標(biāo)準(zhǔn)從機(jī)接收函數(shù)。用戶也可根據(jù)前述從機(jī)接收流程，自行編寫從機(jī)接收函數(shù)。

I2C配置工具

功能簡介

I2C配置工具Artery_I2C_Timing_Configuration.exe 可以實(shí)現(xiàn)對主機(jī)和從機(jī)的時鐘、數(shù)字濾波、模擬濾波配置。

資源準(zhǔn)備

1) 軟件環(huán)境 Artery_I2C_Timing_Configuration.exe圖13. Artery I2C Timing Configuration

使用步驟

1) 選擇芯片型號選擇當(dāng)前使用的芯片型號，例如可以選擇AT32F405。2) 選擇設(shè)備模式

• Master：主模式，I2C作為主機(jī)；
• Slave：從模式，I2C作為從機(jī)。

3) 選擇I2C速度模式

• Standard-mode：標(biāo)準(zhǔn)模式，范圍0~100kHz；
• Fast-mode：快速模式，范圍0~400kHz；
• Fast-mode Plus：增強(qiáng)快速模式，范圍0~1000kHz。

4)設(shè)置I2C速度（單位 kHz）根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置I2C通信速度，例如需要通信速度為10kHz，那么這里設(shè)置為10。5) 設(shè)置I2C時鐘源頻率（單位kHz）根據(jù)實(shí)際使用的I2C時鐘源頻率來配置，例如AT32F405 I2C時鐘源為PCLK1，當(dāng)AT32F405主頻為216MHz，APB1為108MHz時，這里設(shè)置為108000。6) 數(shù)字濾波（范圍0~15）數(shù)字濾波時間=數(shù)字濾波值x TI2C_CLK；其中TI2C_CLK=1/I2C時鐘源頻率。當(dāng)值為0時，數(shù)字濾波關(guān)閉，當(dāng)值>0時將過濾小于數(shù)字濾波時間的脈沖。7) 上升時間（tr單位ns）SCL和SDA總線的上升沿，如圖18所示。I2C協(xié)議中規(guī)定了在標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增強(qiáng)快速模式（Fast-mode Plus）下的范圍，詳情請參照表1。上升時間和上拉電阻的阻值關(guān)系很大，上拉電阻越小，上升時間越短，可以支持的通信速度就越快，但是功耗也越高。表2中給出了一些常用上拉電阻阻值所對應(yīng)的上升沿時間，實(shí)際可能會因?yàn)榭偩€掛的設(shè)備數(shù)量、布線等差異而有所不同，僅供參考。8) 下降時間（tf單位ns）SCL和SDA總線的下降沿，如圖18所示。I2C協(xié)議中規(guī)定了在標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增強(qiáng)快速模式（Fast-mode Plus）下的范圍，詳情請參照表1。圖14.上升沿（tr）下降沿（tf）規(guī)范

表1. I2C時間規(guī)范表2. 常用上拉電阻阻值的tr、tf參考值(VDD=3.3V)注：該值是總線上連接兩片AT32 MCU，一個作為主機(jī)，一個作為從機(jī)測試出來的值，實(shí)際可能會因?yàn)榭偩€掛的設(shè)備數(shù)量、布線等差異而有所不同。9) 產(chǎn)生代碼點(diǎn)擊產(chǎn)生代碼，上訴配置的值，將會以代碼的形式產(chǎn)生出來，如下圖紅框所示，只需要將右側(cè)輸出的代碼替換到自己的程序即可。圖15.?代碼產(chǎn)生