STM32通信硬件 I2C

20.1关于 I2C

STM32F103系列的I²C控制器，可作为通信主机或从机，因此有四种工作模式可选择：主机发送模式、主机接收模式、从机发送模式、从机接收模式。

传输速度上，支持标准模式（Standard mode，最高速度100kHz）和快速模式（Fast mode，最高速度400kHz）。同时，还支持SMBus2.0（System Management Bus，系统管理总线）和PMBus (Power Management Bus，电源管理总线)。

I²C控制器结构如图 20.1.1 所示，可以看作四部分组成。

1. 引脚：I²C协议只需要两个引脚（SDA和SCL），SMBA引脚仅用于SMBus模式的Alert引脚，通常不用管。

2. 数据收发：主要涉及到数据寄存器（Data Register，DR）和数据移位寄存器（Data Shift Register，DSR）。 当发送数据时，将发送的字节写入DR寄存器，硬件会把DR中的字节搬到DSR中，然后在时钟信号的配 合下，把DSR最高位的数据放到数据线SDA上，并对DSR进行移位操作。 当接收数据时，数据控制器(Data Control)根据时钟信号，把SDA线上的高低电平转换为“1”或“0”的 数据，写到DSR的最低位，同时DSR移位操作，当接收完一个字节的8位数据后，把DSR中的数据搬到DR寄存器中。

3. 时钟信号：时钟控制器(Clock Control)用于驱动同步时钟信号线SCL。通过配置时钟控制寄存器（ClockControl Register，CCR），可以调整SCL的频率。

4. 控制逻辑：有两个控制寄存器（Control Register 1，CR1）和（Control Register 2，CR2）用于控制逻辑。通过它们可以触发起始和停止信号，做出ACK响应，配置外设时钟频率，开启DMA和中断的功能。同时控制逻辑的状态会反馈到（Status Register 1，SR1）和（Status Register 2，SR2）两个状态寄存器上，根据它们可以知道当前总线是否被占用，本机是主设备还是从设备，数据是否发送完毕等。

20.1.2 AP3426 介绍

AP3426芯片集成了光强传感器（ALS:AmbientLight Sensor）、接近传感器（PS: Proximity Sensor）、红 外LED（IR LED），最常见的应用就是手机。当我们接听电话时，耳朵靠近手机前置扬声器附近，也就靠近了该传感器，此时距离传感器就告诉CPU可以关闭屏幕显示，以防误触。光强传感器能识别当前环境光，告诉CPU对应调节屏幕亮度，手机部分传感器如图 20.1.2 所示。

AP3426的结构如图 20.1.3 所示，左边两个光电二极管采集光照的强度，右边一个发光二极管发射940nm的红外光。

由图 20.1.4 可知，两个光电二极管的频谱响应，ALS光电二极管对450nm-700nm波长光有响应，PS光电二极管对850nm-1000nm波长的光有响应。

由图 20.1.5 可知，450nm-700nm波长的光在可见光范围内，而850nm-1000nm波长的光属于红外线。 在明亮环境中，环境光直接照射在ALS和PS上，当物体遮住AP3426，光电二极管的光照强度则会降低，即可判断物体接遮住。

在黑暗环境中，AP3426发出红外线照射在靠近物体上，反射到PS光电二极管上，当物体遮住AP3426， PS光电二极管的光照强度则会降低，即可判断物体遮住。

20.2 硬件设计

如图 20.2.1 为开发AP3426部分的原理图，U5为AP3426芯片。不同于AT24CXX可以电路设置设备地址，AP3426的设备地址是固定的，由芯片手册可以知为0x1E。

I²C1的SCL使用的PB6引脚，SDA使用的PB7引脚，此外，AP3426的中断引脚连接的PE5。

20.3 软件设计 20.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验通过使用MCU的硬件I2C，获取AP3426的数据。

1. 初始化I2C协议相关参数：设置速度、寻址长度模式等；
2. 初始化I2C硬件相关参数：I2C时钟使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为I2C复用；
3. 使用HAL提供的I2C对AP3426读写，封装AP3426初始化函数、数据读取函数；
4. 主函数编写控制逻辑：按下按键KEY1（KEY_U），读取一次AP3426数据，并将数据通过串口打印；

本实验配套代码位于“5_程序源码\12_通信—硬件I2C\”。

20.3.2 软件设计讲解

1. GPIO选择与接口定义 首先定义使用的哪一个I2C、SCL和SDA引脚，如代码段 20.3.1 所示。 代码段 20.3.1 模拟 I2C 引脚相关定义（driver_i2c.h）

/************************* I2C 硬件相关定义 *************************/
#define I2Cx I2C1
#define I2Cx_CLK_EN() __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_ClockSpeed (400000)
#define I2Cx_FORCE_RESET() __HAL_RCC_I2C1_FORCE_RESET()
#define I2Cx_RELEASE_RESET() __HAL_RCC_I2C1_RELEASE_RESET()
#define SCL_PIN GPIO_PIN_6
#define SCL_PORT GPIOB
#define SCL_PIN_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define SDA_PIN GPIO_PIN_7
#define SDA_PORT GPIOB
#define SDA_PIN_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
/************************* I2C 硬件相关定义结束 *************************/

2. 初始化I2C I2C初始化和前面UART初始化类似，包含两部分：协议部分和硬件部分。 协议部分初始化如代码段 20.3.2 所示。 代码段 20.3.2 I2C 协议初始化（driver_i2c.c）

I2C_HandleTypeDef hi2c;
/*
* 函数名：void I2C_Init(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* * 返回值：无
* 函数作用：初始化 I2C 速率和地址格式
*/
void I2C_Init(void) {
hi2c.Instance = I2Cx;
hi2c.Init.ClockSpeed = I2Cx_ClockSpeed; // 设置 SCL 时钟频率(最高 400000)
hi2c.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 设置 I2C 的 SCL 时钟的占空比(都可以)
hi2c.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 设置广播呼叫模式(关闭)
hi2c.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE; // 设置禁止时钟延长模式(关闭)
hi2c.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 设置 I2C 寻址长度模式(通常 7bit)
hi2c.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 是否使用两个 STM32 的设备地址(关闭)
hi2c.Init.OwnAddress1 = 0x0A; // STM32 的设备地址 1(支持 7bit 或 10bit)
hi2c.Init.OwnAddress2 = 0; // STM32 的设备地址 2(只支持 7bit)
if(HAL_I2C_Init(&hi2c) != HAL_OK)
{
Error_Handler(); } }

• 14~21行：设置I2C协议参数； – 14行：设置I2C的传输速率，最高不超过400kHz； – 15行：设置SCL时钟的占空比，即低电平时间比高电平时间，可设置有I2C_DutyCycle_2(2:1)和 I2C_DutyCycle_16_9(16：9)，一般要求不高，任意即可； – 16行：I2C作为从机模式时，广播呼叫模式设置，通常用不上，关闭即可； – 17行：I2C作为从机模式时，禁止时钟延长，通常用不上，关闭即可； – 18行：设置I2C寻址长度模式，需要根据所接设备的地址长度决定，通常为7bit； – 19行：STM32作为从机模式时，支持同时对两个设备地址作出响应，这里作为主机，关闭即可； – 20行：设置STM32的设备地址1，这里作为主机，只要设备地址不与从机一样即可； – 21行：设置STM32的设备地址2，没用到，不需要设置；
• 23行：使用“HAL_I2C_Init()”初始化前面的“hi2c”，“HAL_I2C_Init()”会调用“HAL_I2C_MspInit()” 进行硬件相关初始化，“HAL_I2C_MspInit()”的内容需要自己编写，如代码段 20.3.3 所示；

代码段 20.3.3 I2C 硬件初始化（driver_i2c.c）

/*
* 函数名：void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
* 输入参数：hi2c-I2C 句柄
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使能 I2C 的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能
*/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
if(hi2c->Instance==I2Cx) {
I2Cx_CLK_EN();
SCL_PIN_CLK_EN();
SDA_PIN_CLK_EN();
GPIO_InitStruct.Pin = SCL_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SDA_PIN;
HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
I2Cx_FORCE_RESET(); // 强制复位
I2Cx_RELEASE_RESET(); // 释放复位
} }

I2C硬件初始化的内容比较简单，依旧是先使能时钟，然后设置引脚复用，最后还需要复位下I2C。初始化后，便可使用HAL库提供的I2C发送/接收函数，HAL提供三种主机收发函数：

• HAL_I2C_Master_Receive()/HAL_I2C_Master_Transmit()：I2C收发数据，使用超时管理模式；
• HAL_I2C_Master_Receive_IT()/HAL_I2C_Master_Transmit_IT()：I2C收发数据，使用中断模式；
• HAL_I2C_Master_Receive_DMA()/HAL_I2C_Master_Transmit_DMA()：I2C收发数据，使用DMA模式；这里三种收发函数都可满足需求，这里简单处理，没有使用中断和DMA，因此使用超时管理模式。

3. 初始化和读写AP3426 由AP3426数据手册，可知AP3426写时序如图 20.3.1 所示，首先发送设备地址，其次是命令代码（寄存 器地址），最后是数据内容。根据时序，编写代码如代码段 20.3.4 所示。 代码段 20.3.4 AP3426 写时序（driver_ap3426.c）

/*
* 函数名：void AP3426_WriteOneByte(uint8_t reg, uint8_t data)
* 输入参数：reg 待写 AP3426 寄存器地址 data 待写数据
* 输出参数：无
* * 返回值：无
* 函数作用：写 AP3426 一字节数据
*/
void AP3426_WriteOneByte(uint8_t reg, uint8_t data)
{
uint16_t write_data = reg | (data