AT32讲堂041 | AT32F435/437 I2C使用指南

I2C接口简介

I2C接口是由数据线SDA和时钟线SCL构成，在标准模式下通信速度可达到100kHz，快速模式下则可以达到400kHz，增强快速模式可达到1MHz。一帧数据传输从开始信号开始，在结束信号后停止，在收到开始信号后总线被认为是繁忙的，当收到结束信号后，总线被认为再次空闲。I2C接口具有主机和从机模式、多主机功能、可编程建立和保持时间、时钟延展功能、DMA存取数据、支持SMBus 2.0协议等特点。图1. I2C框图

I2C接口通信

主机通信流程

主机通信初始化1. 主机时钟初始化在启动外设(I2CEN)之前，必须先设置I2Cx_CLKCTRL寄存器的各个位用以配置I2C主时钟。― DIV[7:0]：I2C时钟分频― SDAD[3:0]：数据保持时间（tHD;DAT）― SCLD[3:0]：数据建立时间（tSU;DAT）― SCLH[7:0]：SCL高电平时间― SCLL[7:0]：SCL低电平时间该寄存器的配置可以使用Artery_I2C_Timing_Configuration时钟配置工具计算，见第三章节。低电平控制：当检测到SCL总线为低电平时，内部SCLL计数器开始计数，当计数值达到SCLL值时，释放SCL线，SCL线变为高电平。高电平控制：当检测到SCL总线为高电平时，内部SCLH计数器开始计数，当计数值达到SCLH值时，拉低SCL线，SCL线变为低电平，当在高电平期间，如果被外部总线拉低，那么内部SCLH计数器停止计数，并开始低电平计数，这为时钟同步提供了条件。图2. 主机时钟的产生

2. 主机通信初始化

在启动通讯前须先设定I2C_CTRL2寄存器中的几项参数：1) 设置传输字节数― ≤255字节

配置I2C_CTRL2的RLDEN=0，关闭重载模式

配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=N

― ＞255字节

配置I2C_CTRL2的RLDEN=1，使能重载模式

配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=255

剩余传输字节数N=N-255

2) 设置传输结束模式― ASTOPEN=0：软件结束模式，当数据传输完成后，I2C_STS的TDC标志置1，软件设置GENSTOP=1或者GENSTART=1，发送STOP条件或者START条件。― ASTOPEN=1：自动结束模式，当数据传输完成后，自动发送STOP条件。3) 设置从机地址― 设置寻址的从机地址值（I2C_CTRL2的SADDR）― 设置从机地址模式（I2C_CTRL2的ADDR10）

ADDR10=0：7位地址模式

ADDR10=1：10位地址模式

4) 设置传输方向（I2C_CTRL2的DIR）― DIR=0：主机接收数据― DIR=1：主机发送数据5) 开始传输设置I2C_CTRL2的GENSTART=1，主机开始在总线上发送START条件和从机地址。

3. 主机10 bits寻址的特殊时序初始化

在10位地址传输模式下，I2C_CTRL2的READH10用于产生特殊时序，当READH10=1时，支持如下传输序：主机先发送数据给从机，然后再从从机读取数据，传输时序图如下图所示：图3. 10位地址的读访问READH10=1主机在软件结束模式（ASTOPEN=0）下，发送数据到从机，当数据发送完成后设置READH10=1，然后再从从机接收数据。图4. 10位地址的读访问READH10=0主机通信初始化软件接口主机通信初始化所用到的软件接口通过独立的函数接口实现，如下：i2c_init函数三个参数分别为：所使用的I2C、数字滤波值和主机时钟配置值。i2c_transmit_set函数用于初始化通信参数，包括：所使用的I2C、从机地址、传输字节数、停止条件产生模式和起始条件产生模式。i2c_addr10_mode_enable函数用于使能10位地址模式。i2c_addr10_header_enable函数用于使能10位地址头读取时序，即主机发送完整的10位从机地址读序列或主机只发送10位地址的前7位。主机发送流程1) I2C_TXDT数据寄存器为空，I2C_STS的TDIS=1；2) 向TXDT数据寄存器写入数据，数据开始发送；3) 重复1、2步骤直到发送CNT[7:0]个数据；4) 如果此时I2C_STS的TCRLD=1（重载模式），分为以下两种情况：― 剩余字节数N>255：向CNT写入255，N=N-255，TCRLD被自动清0，传输继续；― 剩余字节数N≤255：关闭重载模式（RLDEN=0），向CNT写入N，TCRLD被自动清0，传输继续。5) 结束时序― 停止条件产生：

软件结束模式（ASTOPEN=0）：此时I2C_STS的TDC置1，设置GENSTOP=1产生STOP条件；

自动结束模式（ASTOPEN=1）：自动产生STOP条件。

― 等待产生STOP条件，当STOP条件产生时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。图5. I2C主机发送流程图图6. I2C主机发送时序图主机发送流程软件接口主机发送通过独立的函数接口实现，如下：i2c_master_transmit函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、从机地址、发送数据指针、发送数据字节数和函数超时时间。注：此函数为Artery所提供的标准主机发送函数。用户也可根据前述主机发送流程，自行编写主机发送函数。主机接收流程1) 当收到数据后，RDBF=1，读取RXDT数据寄存器，RDBF被自动清零；2) 重复步骤2直到接收CNT[7:0]个数据；3) 如果此时I2C_STS的TCRLD=1（重载模式），分为以下两种情况：― 剩余字节数N>255：向CNT写入255，N=N-255，TCRLD被自动清0，传输继续；― 剩余字节数N≤255：关闭重载模式（RLDEN=0），向CNT写入N，TCRLD被自动清0，传输继续。4) 当在接收到最后一个字节时，主机会自动发送一个NACK。5) 结束时序― 停止条件产生：

软件结束模式（ASTOPEN=0）：此时I2C_STS的TDC置1，设置GENSTOP=1产生STOP条件；

自动结束模式（ASTOPEN=1）：自动产生STOP条件。

― 等待产生STOP条件，当STOP条件产生时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。图7. I2C主机接收流程图图8. I2C主机接收时序图主机接收流程软件接口主机接收通过独立的函数接口实现，如下：i2c_master_receive函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、从机地址、接收数据指针、接收数据字节数和函数超时时间。注：此函数为Artery所提供的标准主机接收函数。用户也可根据前述主机接收流程，自行编写主机接收函数。

从机通信流程

从机通信初始化1. 从机地址配置每个I2C从设备可同时支持2个从设备地址，由OADDR1和OADDR2指定I2C_OADDR1— 通过ADDR1EN使能— 通过ADDR1MODE配置为7位（默认）或10位地址I2C_OADDR2— 通过ADDR2EN使能— 固定7位地址模式— 可通过ADDR2MASK[2:0]来在进行地址匹配比较时屏蔽掉0~7个LSB地址位

ADDR2MASK=0表示7位地址中的每一位都要参与匹配比较

ADDR2MASK=7表示任何非保留地址的7位地址都会被该从设备应答

2. 从机地址匹配

当I2C启用的地址选中匹配时，ADDRF中断状态标志会被置1，如果ADDRIEN位为1，就会产生一个中断。如果两个从地址都使能，在地址匹配产生ADDR中断时，可以查看状态寄存器中的ADDR[6:0]来得知是OADDR1还是OADDR2被寻址了。

3. 从机字节控制模式（通常SMBus模式下才使用）

从设备可以对每个收到的字节进行应答控制。所需配置：SCTRL=1&RLDEN=1&STRETCH=0&CNT≥1从机字节控制流程：1) 每收到一个字节TCRLD置位，时钟延展于第8和第9个脉冲之间2) 软件读取RXDT中的值，并决定是否置位ACK3) 软件重装载CNT=1来停止时钟延展4) 应答或非应答信号在第9个脉冲时刻出现在总线上注意：置位SCTRL时，必须开启时钟延展，即STRETCH=0CNT可以是大于1的值，来实现多个字节以自动ACK接收完毕后再启动应答控制，从设备发送时推荐关闭SCTRL，此时无需字节应答控制。从机通信初始化软件接口从机通信初始化所用到的软件接口通过独立的函数接口实现，如下：i2c_own_address1_set函数用于配置OADDR1地址模式以及ADDR1地址值。i2c_own_address2_set函数用于配置ADDR2地址值以及ADDR2屏蔽位。i2c_own_address2_enable函数用于使能ADDR2地址。i2c_slave_data_ctrl_enable函数用于使能从机字节控制模式。i2c_clock_stretch_enable函数用于使能从机时钟延展功能。i2c_reload_enable函数用于使能发送数据重载模式。从机发送流程1) 响应主机地址，匹配时回复ACK；2) TXDT为空时，置位TDIS，从设备写入发送数据；3) 每发送一个字节会收到ACK，且置位TDIS；4) 如果收到NACK位：

— 置位NACKF，产生中断；

— 从设备自动释放SCL和SDA（以便主设备发送STOP或RESTART）；

5) 如果收到STOP位：

— 置位STOPF，产生中断；

当从机发送开启时钟延展（STRETCH=0）时，在等待ADDRF标志时和发送前一个数据的第9个时钟脉冲后，会把TXDT中的数据拷贝到移位寄存器中，如果此时TDIS还是置位，表示TXDT没有写进待发送数据，将发生时钟延展，如下流程图：图9. I2C从机发送流程图需要注意的是，在时钟延展关闭（STRETCH=1）的情况下，如果在将要传输数据的第一个Bit位开始发送之前，也就是SDA边沿产生之前，如果数据还未写入TXDT数据寄存器，那么会发生欠载错误，此时I2C_STS的OUF将会置1，并将0xFF发送到总线。为了能及时的写入数据，可以在通信开始前，先将数据写入到DT寄存器：软件先将TDBE置1，目的是为了清空TXDT寄存器的数据，然后将第一个数据写入TXDT寄存器，此时TDBE清零。图10. I2C从机发送时序图从机发送流程软件接口从机发送通过独立的函数接口实现，如下：指针、发送数据指针、发送数据字节数和函数超时时间。注：此函数为Artery所提供的标准从机发送函数。用户也可根据前述从机发送流程，自行编写从机发送函数。从机接收流程1) 当收到数据后，RDBF=1，读取RXDT数据寄存器，RDBF被自动清零；2) 重复步骤2直到所有数据接收完成；3) 等待收到STOP条件，当收到STOP条件时，I2C_STS的STOPF置1，将I2C_CLR的STOPC写1，清除STOPF标志，传输结束。图11. I2C从机接收流程图图12. I2C从机接收时序图从机接收流程软件接口从机接收通过独立的函数接口实现，如下：i2c_slave_receive函数为i2c_application.c文件所提供的应用层接口函数，参数包括：I2C结构体指针、接收数据指针、接收数据字节数和函数超时时间。注：此函数为Artery所提供的标准从机接收函数。用户也可根据前述从机接收流程，自行编写从机接收函数。

I2C配置工具

功能简介

I2C配置工具Artery_I2C_Timing_Configuration.exe可以实现对主机和从机的时钟、数字滤波、模拟滤波配置。

资源准备

1) 软件环境Artery_I2C_Timing_Configuration.exe图13. Artery I2C Timing Configuration

使用步骤

1) 选择芯片型号选择当前使用的芯片型号，例如可以选择AT32F435、AT32F437。2) 选择设备模式

• Master：主模式，I2C作为主机；
• Slave：从模式，I2C作为从机。

3) 选择I2C速度模式

• Standard-mode：标准模式，范围0~100kHz；
• Fast-mode：快速模式，范围0~400kHz；
• Fast-mode Plus：增强快速模式，范围0~1000kHz。

4) 设置I2C速度（单位kHz）根据实际需求设置I2C通信速度，例如需要通信速度为10kHz，那么这里设置为10。5) 设置I2C时钟源频率（单位kHz）根据实际使用的I2C时钟源频率来配置，例如AT32435 I2C时钟源为PCLK1，当AT32435主频为288MHz，APB1为144MHz时，这里设置为144000。6) 模拟滤波使能

• On：打开；
• Off：关闭。

模拟滤波使能后，将过滤50ns以下的脉冲。7) 数字滤波（范围0~15）数字滤波时间=数字滤波值x TI2C_CLK；其中TI2C_CLK=1/I2C时钟源频率。当值为0时，数字滤波关闭，当值>0时将过滤小于数字滤波时间的脉冲。8) 上升时间（tr单位ns）SCL和SDA总线的上升沿，如图18所示。I2C协议中规定了在标准模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增强快速模式（Fast-mode Plus）下的范围，详情请参照表1。上升时间和上拉电阻的阻值关系很大，上拉电阻越小，上升时间越短，可以支持的通信速度就越快，但是功耗也越高。表2中给出了一些常用上拉电阻阻值所对应的上升沿时间，实际可能会因为总线挂的设备数量、布线等差异而有所不同，仅供参考。9) 下降时间（tf单位ns）SCL和SDA总线的下降沿，如图18所示。I2C协议中规定了在标准模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增强快速模式（Fast-mode Plus）下的范围，详情请参照表1。图14. 上升沿（tr）下降沿（tf）规范表1. I2C时间规范表2. 常用上拉电阻阻值的tr、tf参考值(VDD=3.3V)注：该值是总线上连接两片AT32 MCU，一个作为主机，一个作为从机测试出来的值，实际可能会因为总线挂的设备数量、布线等差异而有所不同。10) 产生代码点击产生代码，上诉配置的值，将会以代码的形式产生出来，如下图红框所示，只需要将右侧输出的代码替换到自己的程序即可。图15. 代码产生

案例 读写EEPROM

功能简介

使用硬件I2C接口对EEPROM存储设备进行读写访问。

资源准备

1) 硬件环境对应产品型号的AT-START BOARD4.7K上拉电阻EEPROM存储设备2) 软件环境project\at_start_f4xx\examples\i2c\eeprom

软件设计

1) 配置流程

• 开启I2C外设时钟
• 配置I2C所复用的GPIO
• 配置I2C所用的DMA通道
• 使能I2C外设接口
• 写入EEPROM并读取写入的数据
• 比较读写数据内容是否正确

2)代码介绍

• main函数代码描述

实验效果

• 如若读写数据完全相同，则LED3会被点亮。

案例 轮询方式通信

功能简介

通过轮询方式让两块AT-START BOARD的I2C接口进行通信，测试作为主机或从机发送和接收数据。

资源准备

1) 硬件环境对应产品型号的AT-START BOARD两块4.7K上拉电阻2) 软件环境project\at_start_f4xx\examples\i2c\communication_poll

软件设计

1) 配置流程

• 开启I2C外设时钟
• 配置I2C所复用的GPIO
• 使能I2C外设接口
• 从机准备接收数据
• 主机发送数据
• 从机准备发送数据
• 主机接收数据
• 主机从机对比发送和接收到的数据是否正确

2) 代码介绍

• main函数代码描述

实验效果

• 通过宏定义：#define MASTER_BOARD来选择两块板子的主从关系；
• 如若主机或从机的读写数据完全相同，则LED3会被点亮，否则LED2会不停闪烁。

案例 中断方式通信

功能简介

通过中断方式让两块AT-START BOARD的I2C接口进行通信，测试作为主机或从机发送和接收数据。

资源准备

3) 硬件环境对应产品型号的AT-START BOARD两块4.7K上拉电阻4) 软件环境project\at_start_f4xx\examples\i2c\communication_int

软件设计

3) 配置流程

• 开启I2C外设时钟
• 配置I2C所复用的GPIO
• 使能I2C外设接口
• 使能I2C中断
• 从机准备接收数据
• 主机发送数据
• 从机准备发送数据
• 主机接收数据
• 主机从机对比发送和接收到的数据是否正确

4) 代码介绍

• main函数代码描述

• 主机中断处理函数代码描述

• 从机中断处理函数代码描述

实验效果

通过宏定义：#define MASTER_BOARD来选择两块板子的主从关系；

如若主机或从机的读写数据完全相同，则LED3会被点亮，否则LED2会不停闪烁。

案例 DMA方式通信

功能简介

通过DMA方式让两块AT-START BOARD的I2C接口进行通信，测试作为主机或从机发送和接收数据。

资源准备

5) 硬件环境对应产品型号的AT-START BOARD两块4.7K上拉电阻6) 软件环境project\at_start_f4xx\examples\i2c\communication_dma

软件设计

5) 配置流程

• 开启I2C外设时钟
• 配置I2C所复用的GPIO
• 配置I2C所使用的DMA通道
• 使能I2C外设接口
• 从机准备接收数据
• 主机发送数据
• 从机准备发送数据
• 主机接收数据
• 主机从机对比发送和接收到的数据是否正确

6) 代码介绍

• main函数代码描述

• 主机DMA发送接收完成中断处理函数代码描述

实验效果

• 通过宏定义：#define MASTER_BOARD来选择两块板子的主从关系；
• 如若主机或从机的读写数据完全相同，则LED3会被点亮，否则LED2会不停闪烁。

关于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推动全球市场32位微控制器(MCU)创新趋势的芯片设计公司，专注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研发与创新，全系列采用55nm先进工艺及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗内核，缔造M4业界最高主频288MHz运算效能，并支持工业级别芯片工作温度范围（-40°~105°）。雅特力目前已累积相当多元的终端产品成功案例：如微型打印机、扫地机、光流无人机、热成像仪、激光雷达、工业缝纫机、伺服驱控、电竞周边市场、断路器、ADAS、T-BOX、数字电源、电动工具等终端设备应用，广泛地覆盖5G、物联网、消费、商务及工控等领域。