stm32主从机硬件IIC实现

server/2025/3/6 17:54:01/

前言：

        IIC作为一个基础的通信协议，活跃于各种设备之间。I2C作为两线通信协议，相较于spi来说所需引脚更少，我们可以使用硬件I2C在设备与设备之间通信，但在硬件I2c被其他功能所占据引脚时，也可以使用软件拉高拉低来模拟，32位单片机中我们常用的方式是软件模拟，但实际上软件模拟的I2C速度有时又达不到我们需求，软件的有点在于可以灵活使用各个引脚，硬件的优点在于能够更快的相应。硬件I2C网传存在一些小bug，但作者常常使用硬件I2C也并没有遇到什么bug，只能说具体问题具体看待了，当正遇到了的情况下，再去该软件模拟也可以的。毕竟硬件相对简单，便利。参考文章一般思路先介绍一下IIC后附加代码分析硬件I2C

一、IIC介绍

（一）、简介      
          I2C 是一种短距离总线通信协议，物理实现上，I2C 总线由两根信号线（ SDA 与 SCL）和一个地线组成，两根信号线为双向发送的。它可以提供多主模式功能，支持标准（100KHZ）和快速模式（400KHZ），它可以用于多种用途，包括 CRC 生成和验证、SMBus（系统管理总线）以及 PMBus（电源管理总线）。 根据器件的不同，可利用 DMA 功能来减轻 CPU 的工作量。（作者暂时还没有使用过DMA在IIC中，后续有机会会进行补充）。
（二）、IIC特征
        1、支持多设备通信，多主模式功能：同一接口既可用作主模式也可用作从模式。
        2、IIC主模式特征：时钟生成，起始位和停止位生成
3、IIC从模式特征： 可编程 I 2 C 地址检测，双寻址模式，可对 2 个从地址应答，停止位检测
        4、7 位 /10 位寻址以及广播呼叫的生成和检测
        5、总线需要接上拉电阻到电源，I2C 总线空闲状态下，输出为高阻态，所有设备空闲时，都输出高阻态，上拉电阻把总线拉成高电平。
（三）、补充关于IIC的上拉电阻
          1、  I2C总线采用 开漏输出（Open-Drain） 或 开集电极输出（Open-Collector） 的设计：

  • SDA（数据线）和SCL（时钟线）在空闲时处于高电平状态。

  • 当设备需要发送数据时，会拉低SDA或SCL。

  • 由于开漏输出无法主动拉高信号，因此需要通过外部上拉电阻将总线拉高到逻辑高电平。

如果没有上拉电阻，总线将无法正常工作，因为信号无法回到高电平状态

        2、上拉电阻的选择

  • 总线电容（Bus Capacitance）：

    • 总线上的电容包括导线电容、设备引脚电容等。

    • 电容越大，信号的上升时间越长，通信速度越慢。

  • 通信速度（Clock Speed）：

    • 标准模式（100 kHz）和快速模式（400 kHz）对上升时间的要求不同。

    • 高速模式（3.4 MHz）需要更小的上拉电阻。

  • 电源电压（VDD）：

    • 电源电压越高，上拉电阻可以适当增大。

常用阻值范围：

  • 标准模式（100 kHz）：通常使用 4.7 kΩ 到 10 kΩ 的上拉电阻。

  • 快速模式（400 kHz）：通常使用 2.2 kΩ 到 4.7 kΩ 的上拉电阻。

  • 高速模式（3.4 MHz）：通常使用 1 kΩ 到 2.2 kΩ 的上拉电阻。

计算公式：

上拉电阻的阻值可以通过以下公式估算：

Rmax=trise0.8473×CbusRmax​=0.8473×Cbus​trise​​

其中：

  • trisetrise​ 是信号的上升时间（由I2C规范决定）。

  • CbusCbus​ 是总线的电容值

3、上拉电阻布局

  • 每个总线都需要上拉电阻：

    • SDA和SCL线都需要单独的上拉电阻。

  • 避免多个上拉电阻：

    • 如果总线上有多个设备，不要为每个设备单独加上拉电阻，否则会导致总阻值过小，影响通信。

  • 靠近主设备放置：

    • 上拉电阻应尽量靠近主设备（Master）放置，以减少信号反射和干扰。

4、电源匹配问题

  • 上拉电阻的电源电压（VDD）需要与I2C设备的逻辑电平匹配。

  • 例如，如果I2C设备的工作电压是3.3V，上拉电阻也应连接到3.3V电源。

5、常见问题
问题1：上拉电阻过小

  • 现象：总线电流过大，可能导致设备损坏或电源不稳定。

  • 解决方法：增大上拉电阻。

问题2：上拉电阻过大

  • 现象：信号上升时间过长，导致通信错误或速度下降。

  • 解决方法：减小上拉电阻。

问题3：没有上拉电阻

  • 现象：总线无法拉高，通信完全失败。

  • 解决方法：添加合适的上拉电阻。

注：补充部分来源与deepseek介绍。

二、硬件IIC连接

1、引脚选择

        本次实验所使用的是芯片是stm32f411ceu6的PB9，PB10 I2C2。手册显示

2、原理图

由于板子并未有上拉电阻，所以自己手动焊接了两个2.2K的上拉电阻

三、软件编程

（一）、I 2C 主机：
1、I2C主模式初始化：
I2C_HandleTypeDef gI2c2;//I2C句柄
/*****************************************************************************函 数 名  : AudioI2cInit功能描述  : IIC初始化，速度400000外部添加2.2K的上拉电阻外部实现上拉输入参数  : void返 回 值  : void作  者    : Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void MasterI2cInit(void)
{gI2c2.Instance=I2C2;gI2c2.Init.ClockSpeed=400000;						/*快速模式400，标准模式100KHZ*/gI2c2.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_16_9;              /*占空比：1/2 */ gI2c2.Init.OwnAddress1=0;							/*主机不需要配置地址*/gI2c2.Init.AddressingMode=I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;	/*7位地址模式*/gI2c2.Init.DualAddressMode=I2C_DUALADDRESS_DISABLE;/*禁用双地址模式*/gI2c2.Init.OwnAddress2=0;							/*地址2未使用*/gI2c2.Init.GeneralCallMode=I2C_GENERALCALL_DISABLE;/*禁用广播呼叫*/gI2c2.Init.NoStretchMode=I2C_NOSTRETCH_DISABLE;	   /*始终拉伸*/gI2c2.Mode=HAL_I2C_MODE_MASTER;					   /*配置为主模式*/if(HAL_I2C_Init(&gI2c2)!=HAL_OK){};
}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_MspInit功能描述  : IIC引脚初始胡初始化输入参数  : void返 回 值  : void作  者    : Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;if(hi2c->Instance==I2C1){}if(hi2c->Instance==I2C2){__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;//GPIO_MODE_AF_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;//GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C2;HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruct);//I2C_SDA configGPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;//GPIO_MODE_AF_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;//GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF9_I2C2;HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruct);}
}
2、I2C读写数据
/*****************************************************************************函 数 名  : I2C_Write功能描述  : 向从机写入数据输入参数  : void返 回 值  : void作  者    : Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void I2C_Write(uint8_t reg_address, uint8_t data)
{uint8_t buffer[2];buffer[0] = reg_address;  // 寄存器地址buffer[1] = data;         // 要写入的数据// 发送数据到从机HAL_I2C_Master_Transmit(&gI2c2, I2C_DEVICE_ADDR << 1, buffer, 2, 1000);
}
/*****************************************************************************函 数 名  : I2C_Read功能描述  : 从从机读取数据输入参数  : void返 回 值  : void作  者    : Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
uint8_t I2C_Read(uint8_t reg_address)
{uint8_t data = 0; // 先发送寄存器地址HAL_I2C_Master_Transmit(&gI2c2, I2C_DEVICE_ADDR << 1, &reg_address, 1, 1000);// 然后读取数据HAL_I2C_Master_Receive(&gI2c2,(I2C_DEVICE_ADDR << 1)|0x01, &data, 1, 1000);return data;
}
3、I2C.h文件
#ifndef __I2C_H_
#define __I2C_H_
#include "sys/sys.h"#define I2C_DEVICE_ADDR					0x50					
#define I2C_WRITE_ADDR					(I2C_DEVICE_ADDR<<1)
#define I2C_READ_ADDR					(I2C_WRITE_ADDR|0x01)
#define IIC_SCL_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SCL_GPIO_PIN                GPIO_PIN_10
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */#define IIC_SDA_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SDA_GPIO_PIN                GPIO_PIN_9
#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 *//******************************************************************************************//* IO操作 */
#define IIC_SCL(x)        do{ x ? \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \}while(0)       /* SCL */#define IIC_SDA(x)        do{ x ? \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \}while(0)       /* SDA */#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) /* 读取SDA */extern void MasterI2cInit(void);
extern void I2C_Write(uint8_t reg_address, uint8_t data);
extern uint8_t I2C_Read(uint8_t reg_address);
#endif
（二）、从模式代码
1、从模式初始化
#include "config.h"
I2C_HandleTypeDef gI2c2;//I2C句柄
uint8_t ram[256];             // 模拟I2C从机数据寄存器（主机读写的数据都放在这块内存）
uint8_t offset;                      // 从机寄存器当前偏移地址
static uint8_t first_byte_state = 1; // 是否收到第1个字节,也就是偏移地址（0：已收到，1：没有收到）
/*****************************************************************************函 数 名  : I2c2SlaveInit功能描述  : IIC初始化，速度400000外部添加2.2K的上拉电阻外部实现上拉输入参数  : void返 回 值  : void作  者    : Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void SlaveI2cInit(void)
{gI2c2.Instance=I2C2;gI2c2.Init.ClockSpeed=400000;						/*快速模式400，标准模式100KHZ*/gI2c2.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_16_9;          /*占空比：1/2 */ gI2c2.Init.OwnAddress1=I2C_DEVICE_ADDR;				/*主机不需要配置地址*/gI2c2.Init.AddressingMode=I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;	/*7位地址模式*/gI2c2.Init.DualAddressMode=I2C_DUALADDRESS_DISABLE; /*禁用双地址模式*/gI2c2.Init.OwnAddress2=0;							/*从机地址2未使用*/gI2c2.Init.GeneralCallMode=I2C_GENERALCALL_DISABLE; /*禁用广播呼叫*/gI2c2.Init.NoStretchMode=I2C_NOSTRETCH_DISABLE;	    /*时钟拉伸*/gI2c2.Mode=HAL_I2C_MODE_SLAVE;					    /*配置为从模式*/HAL_I2C_Init(&gI2c2);HAL_I2C_EnableListen_IT(&gI2c2);       // 使能I2C1的侦听中断  
}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_MspInit功能描述  : IIC初始化，会自动调用输入参数  : void返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;if(hi2c->Instance==I2C1){//I2c1}else if(hi2c->Instance == I2C2){__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;//GPIO_MODE_AF_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;//GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C2;HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruct);//I2C_SDA configGPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;//GPIO_MODE_AF_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;//GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF9_I2C2;HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruct);HAL_NVIC_SetPriority(I2C2_EV_IRQn,1,1);  // 事件中断（必须有）HAL_NVIC_EnableIRQ(I2C2_EV_IRQn);}}
/*****************************************************************************函 数 名  : I2C2_EV_IRQHandler功能描述  :I2C 事件中断服务函数输入参数  : void返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void I2C2_EV_IRQHandler(void)
{HAL_I2C_EV_IRQHandler(&gI2c2);
}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_ListenCpltCallback功能描述  :从函数回调函数，用于监听主发送的数据输入参数  : i2c句柄返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_ListenCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{if(hi2c->Instance == I2C2){first_byte_state = 1;offset = 0;	//偏移位HAL_I2C_EnableListen_IT(hi2c); // slave is ready again// 完成一次通信，清除状态}
}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_AddrCallback功能描述  :从设备地址回调函数，地址匹配上以后会进入该函数输入参数  : void返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_AddrCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t TransferDirection, uint16_t AddrMatchCode)
{if(hi2c->Instance == I2C2){if(TransferDirection == I2C_DIRECTION_TRANSMIT) {	// 主机发送，从机接收if(first_byte_state) {// 准备接收第1个字节数据HAL_I2C_Slave_Seq_Receive_IT(hi2c, &offset, 1, I2C_NEXT_FRAME);  // 每次第1个数据均为偏移地址} } else {	// 主机接收，从机发送HAL_I2C_Slave_Seq_Transmit_IT(hi2c, &ram[offset], 1, I2C_NEXT_FRAME);  // 打开中断并把ram[]里面对应的数据发送给主机}}
}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_AddrCallback功能描述  :I2C数据接收回调函数（在I2C完成一次接收时会关闭中断并调用该函数，因此在处理完成后需要手动重新打开中断）输入参数  : hi2c 句柄返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{if(hi2c->Instance == I2C2){if(first_byte_state) {first_byte_state = 0;// 收到的第1个字节数据（偏移地址）} else {	// 收到的第N个字节数据offset++;  // 每收到一个数据，偏移+1}// 打开I2C中断接收,下一个收到的数据将存放到ram[offset]HAL_I2C_Slave_Seq_Receive_IT(hi2c, &ram[offset], sizeof(ram), I2C_NEXT_FRAME);  // 接收数据存到ram[]里面对应的位置}}
/*****************************************************************************函 数 名  : HAL_I2C_AddrCallback功能描述  :I2C数据发送回调函数（在I2C完成一次发送后会关闭中断并调用该函数，因此在处理完成后需要手动重新打开中断）输入参数  : hi2c 句柄返 回 值  : void作  者    :  Bright创建日期 : 20240624
*****************************************************************************/
void HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{if(hi2c->Instance == I2C2){offset++;  // 每发送一个数据，偏移+1HAL_I2C_Slave_Seq_Transmit_IT(hi2c, &ram[offset], sizeof(ram), I2C_NEXT_FRAME);  // 打开中断并把ram[]里面对应的数据发送给主机}
}
2、I2c.h文件
#ifndef __I2C_H_
#define __I2C_H_
#include "sys/sys.h"
extern uint8_t ram[256]; #define I2C_DEVICE_ADDR						0xA0#define IIC_SCL_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SCL_GPIO_PIN                GPIO_PIN_10
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */#define IIC_SDA_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SDA_GPIO_PIN                GPIO_PIN_9
#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 *//******************************************************************************************//* IO操作 */
#define IIC_SCL(x)        do{ x ? \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \}while(0)       /* SCL */#define IIC_SDA(x)        do{ x ? \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \}while(0)       /* SDA */#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) /* 读取SDA */extern void SlaveI2cInit(void);
/*************************************IIC RAM[256]内存说明*****************************************************//******************************************************************************************/
#endif

四、主从模式测试

1、主测试代码：
#include "config.h"
u8 readData=0;
int main(void)
{DemoSystemInit();printf("%d\r\n",HAL_RCC_GetSysClockFreq());printf("Mcu pow On \r\n");uint8_t writeData=0XAA;uint8_t writeData2=0XBB;I2C_Write(0X00,writeData);readData=I2C_Read(0X02);//电池温度ram[2]while(1){if(readData == 0XAA){LED_ON();}else if(readData == 0XBB){LED_ON();DelayMs(1000);LED_OFF();DelayMs(1000);}else{LED_OFF(); }}
}
2、从测试代码
#include "config.h"
extern uint8_t ram[256]; int main(void)
{DemoSystemInit();while(1){if(ram[0] == 0xAA){LED_ON();}else if(ram[0] == 0xBB){LED_ON();DelayMs(500);LED_OFF();DelayMs(500);}else{LED_OFF(); }}}
3、实际效果

五、结尾

        总体上硬件i2c操作便是如此，可以作为少量快速相应的通信方式， 之前是想将其与I2S一起实现，但I2S的数据量需要的相应数据过快，I2C不适合。后续还会更新一下软件i2c实现主从机模式，作为学习I2c的对比总结。


http://www.ppmy.cn/server/172930.html

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