I2C (Устаревшая статья)

Статья находится в разработке.

Пример использования I2C MIK32

Рисунок 1 - Схема подключения

В данном примере используется две отладочные платы с микроконтроллером MIK32, которые соединены как показано на рисунке 1. Первая плата используется как ведущее устройство (Master), вторая используется как ведомое (Slave).

Ведущий передает ведомому число размером 2 байта. Ведомый принимает это число и увеличивает на единицу. Затем ведущий принимает число от ведомого. Так продолжается до тех пор, пока число, после увеличения ведомым, не станет больше 65530.

Ведущий

Переменные ведущего:

- uint8_t slave_address - адрес ведомого, с которым ведущий обменивается данными;

- uint16_t to_send - число из двух байт;

- uint8_t data[2] - массив байт для отправки ведущим.

Массив data заполняется байтами числа to_send.

Для передачи данных используется I2C0, который имеет следующие выводы:

- PORT_0_9 - I2C0_sda;

- PORT_0_10 - I2C0_scl.

Инициализация

Сначала требуется провести инициализацию. Это делается с помощью функции i2c_master_init. Эта функция включает тактирование необходимых блоков для работы GPIO и I2C. Затем следует настройка регистра I2C_TIMINGR, где выставляется делитель частоты и задержки. В конце для включения интерфейса в регистре I2C_CR1 выставляется бит PE. После этого можно отправлять и принимать данные.

Функция i2c_master_init

void i2c_master_init(I2C_TypeDef* i2c)
{
    //Включаем тактирование необходимых блоков и модуля выбора режима GPIO 
    PM->CLK_APB_P_SET |= PM_CLOCK_GPIO_0_M | PM_CLOCK_I2C_0_M;
    PM->CLK_APB_M_SET |= PM_CLOCK_PAD_CONFIG_M | PM_CLOCK_WU_M | PM_CLOCK_PM_M ;
    for (volatile int i = 0; i < 10; i++);


    // обнуление регистра управления
    i2c->CR1 = 0;

    /*
    * Инициализация i2c
    * TIMING - регистр таймингов
    * 
    * SCLDEL - Задержка между изменением SDA и фронтом SCL в режиме ведущего и ведомого при NOSTRETCH = 0
    * 
    * SDADEL - Задержка между спадом SCL и изменением SDA в режиме ведущего и ведомого при NOSTRETCH = 0
    * 
    * SCLL - Время удержания SCL в состоянии логического «0» в режиме веедущего
    * 
    * SCLH - Время удержания SCL в состоянии логической «1» в режиме веедущего
    * 
    * PRESC - Делитель частоты I2CCLK. Используется для вычесления периода сигнала TPRESC для счетчиков предустановки, 
    * удержания, уровня «0»и «1»
    * 
    */
    i2c->TIMINGR = I2C_TIMINGR_SCLDEL(1) | I2C_TIMINGR_SDADEL(1) |
        I2C_TIMINGR_SCLL(20) | I2C_TIMINGR_SCLH(20) | I2C_TIMINGR_PRESC(3); //частота 164,7 кГц tsync1 + tsync2 = 10^(-6)

    /*
    *
    * CR1 - Регистр управления
    * 
    * PE - Управление интерфейсом: 0 – интерфейс выключен; 1 – интерфейс включен
    *
    */
    i2c->CR1 = I2C_CR1_PE_M;
    xprintf("\nМастер. Старт\n");
}

Функция принимает аргумент типа I2C_TypeDef* i2c. Это может быть I2C_0 или I2C_1.

Передача

Для передачи данных ведомому, которые были записаны в массив data, используется функция i2c_master_write.

i2c_master_write(I2C_0, slave_address, data, sizeof(data), false);

Функция принимает следующие аргументы:

- I2C_TypeDef* i2c. Выбранный интерфейс. I2C_0 или I2C_1;

- uint8_t slave_adr - адрес ведомого, которому отправляются данные;

- uint8_t data[] - массив с байтами для передачи;

- uint8_t byte_count - количество отправляемых байтов. В данном примере можно отправлять не более 255 байт;

- bool shift - сдвиг адреса на 1. false - если сдвиг не требуется, true - если требуется сдвиг на 1 вправо.

Чтобы интерфейс работал в режиме ведущего, в регистре I2C_CR2 нужно настроить:

- режим адреса (7 или 10 бит) ADD10;

- адрес ведомого SADD;

- направление передачи RD_WRN;

- в случае чтения из ведомого с 10-битным адресом HEAD10R. Обуславливает передачу всего адреса или только заголовка в случае смены направления;

- количество байтов на передачу NBYTES[7:0]. Если количество байтов равно или более 255, в NBYTES[7:0] должно быть сперва записано значение 0xFF.

В примере функция i2c_master_write настраивает регистр I2C_CR2 следующим образом:

- 7 битный режим адреса;

- адрес ведомого SADD записывается в соответствии с переданным в функцию аргументом slave_adr;

- режим записи;

- количество отправляемых байт записывается в соответствии со значением byte_count (в примере 2 байта);

- выставляется бит AUTOEND, который нужен для автоматической отправки сигнала STOP.

После этого в регистре I2C_CR2 выставляется бит START и начинается отправка стартового сигнала и адреса.

Фрагмент кода функции i2c_master_write с настройкой регистра I2C_CR2

// shift - true когда адрес ведомого должен быть сдвинут на 1 бит
if(!shift)
{
    slave_adr = slave_adr << 1;
}

/*
*
* CR2 - регистр управления 2
* 
* SADD - адрес ведомого
* 
* RD_WRN - Направление передачи: 0 – ведущий в режиме записи; 1 – ведущий в режиме чтения
* 
* Количество байт для приема / передачи
* 
* AUTOEND - Управление режимом автоматического окончания: 0 – автоматическое окончание выкл; 1 – автоматическе окончание вкл
* 
*/
i2c->CR2 = I2C_CR2_SADD(slave_adr) | I2C_CR2_WR_M | I2C_CR2_NBYTES(byte_count) | I2C_CR2_AUTOEND_M; 

i2c->CR2 |= I2C_CR2_START_M; // старт отправки адреса, а затем данных

Флаг TXIS взводится после отправки каждого байта, если получено подтверждение (ACK). При отправке адреса и получения подтверждения устанавливается флаг TXIS, после чего в регистр I2C_TXDR записывается байт, который должен быть отправлен.

Передача данных может прекратиться если:

- за 1000000 итераций флаг TXIS не выставился. Возможен разрыв линии связи между ведущим и ведомым;

- во время передачи ведомый прислал нет подтверждения (NACK).

В случае превышения ожидания флага TXIS производится программный сброс с помощью функции i2c_master_restart. В регистре I2C_CR1 бит PE устанавливает в 0, а затем вызывается функция i2c_master_init для повторной инициализации.

Функция i2c_master_restart

void i2c_master_restart(I2C_TypeDef* i2c)
{
    // Программный сброс модуля i2c
    i2c->CR1 &= ~I2C_CR1_PE_M;
    for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); 

    // Повторная инициализация
    i2c_master_init(i2c);
}

Фрагмент кода функции i2c_master_write с отправкой данных

for (uint8_t i = 0; i < byte_count; i++)
{
    int counter = 0; // Счетчик для ожидания
    while(!(i2c->ISR & I2C_ISR_TXIS_M))// TXIS = 1 - предыдущий байт доставлен
    {
        counter++;
        if(counter == 1000000)
        {
            xprintf("Разрыв связи\n");
            // Ожидание превышено. Возможно механическое повреждение линии связи
            // Программный сброс модуля i2c и его повторная инициалиизация 
            i2c_master_restart(i2c);
            return;
        }

        // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
        if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) 
        {
            xprintf("Запись. NACKF = %d\n", (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) >> I2C_ISR_NACKF_S);
            break;
        }
    }
    
    // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
    if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M)
    {
        i2c->ICR |=  I2C_ICR_NACKCF_M; // сброс флага STOPF и сброс флага NACKF 
        xprintf("Ошибка при передаче\n");
        break;
    }

    xprintf("Отправка по адресу 0x%02x байта  0x%02x\n", slave_adr_print, data[i]);
    i2c->TXDR = data[i];
}

Приём

Для приёма данных от ведомого используется функция i2c_master_read.

i2c_master_read(I2C_0, slave_address, data, sizeof(data), false);

Функция принимает следующие аргументы:

- I2C_TypeDef* i2c. Выбранный интерфейс. I2C_0 или I2C_1;

- uint8_t slave_adr - адрес ведомого, от которого принимаются данные;

- uint8_t data[] - массив для приема байтов;

- uint8_t byte_count - количество принимаемых байтов. В данном примере можно отправлять не более 255 байт;

- bool shift - сдвиг адреса на 1. false - если сдвиг не требуется, true - если требуется сдвиг на 1 вправо.

Как и в функции i2c_master_write, в начале нужно настроить регистр I2C_CR2. В примере функция i2c_master_read настраивает регистр следующим образом:

- 7 битный режим адреса;

- адрес ведомого SADD записывается в соответствии с переданным в функцию аргументом slave_adr;

- режим чтения;

- количество отправляемых байт записывается в соответствии со значением byte_count (в примере 2 байта);

- выставляется бит AUTOEND, который нужен для автоматической отправки сигнала STOP.

После этого в регистре I2C_CR2 выставляется бит START и начинается отправка стартового сигнала с адресом.

Фрагмент кода функции i2c_master_read с настройкой регистра I2C_CR2

// shift - true когда адрес ведомого должен быть сдвинут на 1 бит
if(!shift)
{
    slave_adr = slave_adr << 1;
}

xprintf("\nЧтение\n");

/*
*
* CR2 - регистр управления 2
* 
* SADD - адрес ведомого
* 
* RD_WRN - Направление передачи: 0 – ведущий в режиме записи; 1 – ведущий в режиме чтения
* 
* Количество байт для приема / передачи
* 
* AUTOEND - Управление режимом автоматического окончания: 0 – автоматическое окончание выкл; 1 – автоматическе окончание вкл
* 
*/

i2c->CR2 = I2C_CR2_SADD(slave_adr) | I2C_CR2_RD_M | I2C_CR2_NBYTES(byte_count) | I2C_CR2_AUTOEND_M; 
i2c->CR2 |= I2C_CR2_START_M;

Флаг RXNE взводится после приема каждого байта. Когда устанавливается флаг RXNE, в соответствующий номеру байта элемент массива data записывается значение регистра I2C_RXDR, в котором хранится принятый байт.

Приём данных может прекратиться если:

- за 1000000 итераций флаг RXNE не выставился. Возможен разрыв линии связи между ведущим и ведомым;

- во время приёма ведущий прислал NACK или STOP.

В случае превышения ожидания флага RXNE производится программный сброс с помощью функции i2c_master_restart.

Фрагмент кода функции i2c_master_read с приёмом данных

for (uint8_t i = 0; i < byte_count; i++)
{
    int counter = 0; // Счетчик для ожидания
    while(!(i2c->ISR & I2C_ISR_TXIS_M))// TXIS = 1 - предыдущий байт доставлен
    {
        counter++;
        if(counter == 1000000)
        {
            xprintf("Разрыв связи\n");
            // Ожидание превышено. Возможно механическое повреждение линии связи
            // Программный сброс модуля i2c и его повторная инициалиизация 
            i2c_master_restart(i2c);
            return;
        }

        // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
        if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) 
        {
            xprintf("Запись. NACKF = %d\n", (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) >> I2C_ISR_NACKF_S);
            break;
        }
    }
    
    // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
    if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M)
    {
        i2c->ICR |=  I2C_ICR_NACKCF_M; // сброс флага STOPF и сброс флага NACKF 
        xprintf("Ошибка при передаче\n");
        break;
    }

    xprintf("Отправка по адресу 0x%02x байта  0x%02x\n", slave_adr_print, data[i]);
    i2c->TXDR = data[i];
}

Полный код main.c для ведущего

#include "common.h"
#include "i2c.h"
#include "stdbool.h"



void i2c_master_init(I2C_TypeDef* i2c)
{
    //Включаем тактирование необходимых блоков и модуля выбора режима GPIO 
    PM->CLK_APB_P_SET |= PM_CLOCK_GPIO_0_M | PM_CLOCK_I2C_0_M;
    PM->CLK_APB_M_SET |= PM_CLOCK_PAD_CONFIG_M | PM_CLOCK_WU_M | PM_CLOCK_PM_M ;
    for (volatile int i = 0; i < 10; i++);


    // обнуление регистра управления
    i2c->CR1 = 0;

    /*
    * Инициализация i2c
    * TIMING - регистр таймингов
    * 
    * SCLDEL - Задержка между изменением SDA и фронтом SCL в режиме ведущего и ведомого при NOSTRETCH = 0
    * 
    * SDADEL - Задержка между спадом SCL и изменением SDA в режиме ведущего и ведомого при NOSTRETCH = 0
    * 
    * SCLL - Время удержания SCL в состоянии логического «0» в режиме веедущего
    * 
    * SCLH - Время удержания SCL в состоянии логической «1» в режиме веедущего
    * 
    * PRESC - Делитель частоты I2CCLK. Используется для вычесления периода сигнала TPRESC для счетчиков предустановки, 
    * удержания, уровня «0»и «1»
    * 
    */
    i2c->TIMINGR = I2C_TIMINGR_SCLDEL(1) | I2C_TIMINGR_SDADEL(1) |
        I2C_TIMINGR_SCLL(20) | I2C_TIMINGR_SCLH(20) | I2C_TIMINGR_PRESC(3); //частота 164,7 кГц tsync1 + tsync2 = 10^(-6)

    /*
    *
    * CR1 - Регистр управления
    * 
    * PE - Управление интерфейсом: 0 – интерфейс выключен; 1 – интерфейс включен
    *
    */
    i2c->CR1 = I2C_CR1_PE_M;
    xprintf("\nМастер. Старт\n");
}

void i2c_master_restart(I2C_TypeDef* i2c)
{
    // Программный сброс модуля i2c
    i2c->CR1 &= ~I2C_CR1_PE_M;
    for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); 

    // Повторная инициализация
    i2c_master_init(i2c);
}

void i2c_master_write(I2C_TypeDef* i2c, uint8_t slave_adr, uint8_t data[], uint8_t byte_count, bool shift)
{
    xprintf("\nОтправка %d\n", data[0] << 8 | data[1]);
    uint8_t slave_adr_print = slave_adr; // переменная используется для вывода адреса

    // shift - true когда адрес ведомого должен быть сдвинут на 1 бит
    if(!shift)
    {
        slave_adr = slave_adr << 1;
    }

    /*
    *
    * CR2 - регистр управления 2
    * 
    * SADD - адрес ведомого
    * 
    * RD_WRN - Направление передачи: 0 – ведущий в режиме записи; 1 – ведущий в режиме чтения
    * 
    * Количество байт для приема / передачи
    * 
    * AUTOEND - Управление режимом автоматического окончания: 0 – автоматическое окончание выкл; 1 – автоматическе окончание вкл
    * 
    */
    i2c->CR2 = I2C_CR2_SADD(slave_adr) | I2C_CR2_WR_M | I2C_CR2_NBYTES(byte_count) | I2C_CR2_AUTOEND_M; 

    i2c->CR2 |= I2C_CR2_START_M; // старт отправки адреса, а затем данных 
    
    for (uint8_t i = 0; i < byte_count; i++)
    {
        int counter = 0; // Счетчик для ожидания
        while(!(i2c->ISR & I2C_ISR_TXIS_M))// TXIS = 1 - предыдущий байт доставлен
        {
            counter++;
            if(counter == 1000000)
            {
                xprintf("Разрыв связи\n");
                // Ожидание превышено. Возможно механическое повреждение линии связи
                // Программный сброс модуля i2c и его повторная инициалиизация 
                i2c_master_restart(i2c);
                return;
            }

            // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
            if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) 
            {
                xprintf("Запись. NACKF = %d\n", (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) >> I2C_ISR_NACKF_S);
                break;
            }
        }
        
        // Ошибка. При записи байта слейв прислал NACK
        if(i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M)
        {
            i2c->ICR |=  I2C_ICR_NACKCF_M; // сброс флага STOPF и сброс флага NACKF 
            xprintf("Ошибка при передаче\n");
            break;
        }
 
        xprintf("Отправка по адресу 0x%02x байта  0x%02x\n", slave_adr_print, data[i]);
        i2c->TXDR = data[i];
    }

}

void i2c_master_read(I2C_TypeDef* i2c, uint8_t slave_adr, uint8_t data[], uint8_t byte_count, bool shift)
{
    uint8_t slave_adr_print = slave_adr; // переменная используется для вывода адреса

    // shift - true когда адрес ведомого должен быть сдвинут на 1 бит
    if(!shift)
    {
        slave_adr = slave_adr << 1;
    }

    xprintf("\nЧтение\n");

    /*
    *
    * CR2 - регистр управления 2
    * 
    * SADD - адрес ведомого
    * 
    * RD_WRN - Направление передачи: 0 – ведущий в режиме записи; 1 – ведущий в режиме чтения
    * 
    * Количество байт для приема / передачи
    * 
    * AUTOEND - Управление режимом автоматического окончания: 0 – автоматическое окончание выкл; 1 – автоматическе окончание вкл
    * 
    */

    i2c->CR2 = I2C_CR2_SADD(slave_adr) | I2C_CR2_RD_M | I2C_CR2_NBYTES(byte_count) | I2C_CR2_AUTOEND_M; 
    i2c->CR2 |= I2C_CR2_START_M;

    for(uint8_t i = 0; i < byte_count; i++)
    {
        // Счетчик для ожидания
        int counter = 0;

        while(!(i2c->ISR & I2C_ISR_RXNE_M)) // байт принят когда RXNE = 1
        {
            counter++;
            if(counter == 1000000)
            {
                xprintf("Разрыв связи\n");
                // Ожидание превышено. Возможно механическое повреждение линии связи
                // Программный сброс модуля i2c и его повторная инициалиизация 
                i2c_master_restart(i2c);
                return;
            }

            // Ошибка. Во время чтения мастер прислал NACK или STOP
            if((i2c->ISR & I2C_ISR_STOPF_M) && (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M))
            {
                xprintf("Чтение. STOPF = %d, NACKF = %d\n", (i2c->ISR & I2C_ISR_STOPF_M) >> I2C_ISR_STOPF_S, (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M) >> I2C_ISR_NACKF_S);
                break;
            }
            
        }

        // Ошибка. Во время чтения мастер прислал NACK или STOP
        if((i2c->ISR & I2C_ISR_STOPF_M) && (i2c->ISR & I2C_ISR_NACKF_M))
        {
            i2c->ICR |= I2C_ICR_STOPCF_M | I2C_ICR_NACKCF_M; // сброс флага STOPF и сброс флага NACKF
            break;
        }


        data[i] = i2c->RXDR; // чтение байта и сброс RXNE
        xprintf("Чтение по адресу 0x%02x байта  0x%02x\n", slave_adr_print, data[i]);
    }

    xprintf("Получено %d\n" , data[0] << 8 | data[1]);

}


int main()
{    
    // Адрес ведомого
    uint8_t slave_address = 0x36; 

    // Число для оптавки
    uint16_t to_send = 0; 
    
    // Массив с байтами для отправки / приема
    uint8_t data[2] = {to_send >> 8, to_send & 0b0000000011111111}; // массив заполняется байтами числа to_send

    // Инициализация блока i2c в режиме мастер (ведущий)
    i2c_master_init(I2C_0); 
    

    while (1)
    {
        
        // Запись данных по адресу slave_adr = 0x36 без сдвига адреса
        i2c_master_write(I2C_0, slave_address, data, sizeof(data), false); 
        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); 

        // Чтение данных по адресу slave_adr = 0x36 без сдвига адреса
        i2c_master_read(I2C_0, slave_address, data, sizeof(data), false); 
        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++); 

    }
    
    
}