STM32的IIC通信课堂教学方法的探讨

侯凤云　蔡晓龙

摘 要 随着嵌入式系统主频的提高，串行通信的地位逐步提高。STM32的同步串行口IIC通信效率高，占用资源少。本文介绍了STM32的IIC通信的教学方法，以24C02为从机，解析了STM32和24C02之间模拟IIC通信的实现过程。首先叙述了IIC通信基础，然后分析了STM32和24C02的接口电路设计，最后是软件的实现。

关键词 STM32 IIC通信 课堂教学

0引言

IIC 即Inter-Integrated Circuit（集成电路总线），是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。

IIC是多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实时数据传输的控制源，简化了信号传输总线接口。IIC总线是各种总线中使用信号线最少，并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能的总线。使用IIC总线搭建计算机系统方便灵活，体积小，随着嵌入式系统主频的提高，IIC在嵌入式系统中得到了广泛应用。

1 STM32的IIC通信基础

1.1 IIC总线结构

IIC总线一般有两根信号线，数据线SDA和时钟线SCL。IIC总线是多主机的总线，所有接到IIC总线上的设备数据线都接到总线的SDA上，各设备的時钟线接到总线的SCL上，连接关系如图1所示。

多主机情况由总线仲裁功能解决，主机能够控制信号的传输和时钟频率，任何时间点上只能有一个主机。每个连接到总线的器件可以通过唯一的地址和主机联系，主机可以是发送器或接收器。一般情况下SDA、SCL接上拉电阻，实现电平的转换以及提高驱动能力，当总线空闲时这两条线路都是高电平。

IIC时序是SCL和SDA两根信号线上的电平变化顺序，IIC正常通信时必须遵守一定的时序要求，时序信号如图2所示。

根据时序图进行分析：总线空闲状态时，SDA和SCL两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线；启动信号START，时钟信号SCL保持高电平，数据信号SDA的电平被拉低（即负跳变）。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；停止信号STOP，时钟信号SCL保持高电平，数据线被释放，使得SDA返回高电平（即正跳变），停止信号也必须是跳变信号；数据传输过程中，数据线SDA上的数据状态在时钟线SCL的高电平期间必须保持稳定，只有在SCL线为低电平期间，SDA上的电平允许变化；应答信号ACK，IIC总线的数据都是以字节（8位）的方式传送的，发送器件每发送一个字节之后，在SCL的第9个脉冲期间释放数据总线，由接收器发送一个ACK（把数据总线的电平拉低）来表示数据成功接收；无应答信号NACK，在SCL的第9个脉冲期间发送器释放数据总线，接收器不拉低数据总线表示一个NACK，NACK有两种用途，一种表示接收器未成功接收数据字节，另一种是当接收器是主机时，接收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，通知发送器结束数据发送，主机发送停止信号STOP。

2 IIC的接口电路设计

以24C02为例介绍IIC的接口电路，24C02是一种256B的可电擦除EEPROM，通过IIC协议与STM32进行通信，读写方便，广泛应用于智能仪器、汽车电子、家用电器等场合。

接口电路如图3所示。24C02的A2、A1、A0为地址位，用于级联，由于电路中仅1片24C02，3个端口接地即可；WP为写保护，接地时可进行读、写操作；24C02的SCL是时钟线，SDA是信号线，分别接STM32的PB10、PB11端子，并且外接上拉电阻至3.3V电源。

STM32的PB10、PB11也是硬件IIC接口，为了灵活选用端子、方便移植，这里采用模拟IIC方式通信。

通过操作两个I/O端口的高、低电平满足时序要求，从而实现IIC通信，就是模拟IIC。下面介绍软件的实现过程。

3软件实现

3.1 IIC寻址方式

图3中24C02的地址以字节表示。地址字节的高7位表示从机地址，其中高4位属于固定地址，由厂家统一规定；低3位为引脚设定地址，由外部引脚电平状态来设定。图3中的IIC设备是AT24C02，高4位由厂家规定为1010，低3位是000。

地址字节的最低位（LSB）是读/写控制位，0表示主机向从机写入信息，1表示主机由从机读取信息。

3.2 IIC通信流程

IIC通信包括写入和读取两个过程，以启动信号START来掌控总线，以停止信号STOP来释放总线；每次通信以START开始，以STOP结束。每个数据字节在传送时都是高位（MSB）在前。注意编写程序时，参考STM32用户手册中IIC通信要求的精确时序，可采用SysTick定时器。

写入的通信流程如下：

（1）主机在检测到总线空闲的状况下，发出START信号。

（2）发送一个地址字节（上述例子的地址是10100000），表示写入，等待从机应答信号ACK。

（3）主机收到ACK后，发送要写入的器件地址单元，等待从机应答信号ACK。

（4）主机收到ACK后，开始发送第一个数据字节。

（5）从机收到数据字节后发送一个ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束。

（6）主机发送全部数据后，发出STOP信号，结束通信并且释放总线。

读取的通信流程如下：

（1）主机在检测到总线空闲的状况下，发出START信号。

（2）发送一个地址字节（上述例子的地址是1010000），等待从机应答信号ACK。

（3）主机收到ACK后，发送要读取的器件地址单元，等待从机应答信号ACK。

（4）主机收到ACK后，启动START信号，发送一个地址字节（上述例子的地址是10100001），表示接收，等待从机应答信号ACK。

（5）主机收到ACK后释放数据总线，开始接收第一个数据字节。

（6）主机收到数据后发送ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束。

（7）主机接收全部数据后，发出STOP信号，结束通信并且释放总线。

根据上述IIC的通信流程和时序要求，进行程序的编写，会用到下列函数：启动信号函数、停止信号函数、等待应答函数、产生应答函数、不产生应答函数、发送字节函数、接收字节函数等，不一一列写。

4小结

实现模拟IIC通信，重点是先理解IIC的通信时序，根据IIC通信器件要求设计硬件接口电路，然后弄清楚读取和写入的通信流程，完成程序的编写。通过实验能够进一步理解和掌握模拟IIC通信方法。