I2C接口簡介

I2C接口是由數據線SDA和時鐘線SCL構成，在標準模式下通信速度可達到100kHz，快速模式下則可以達到400kHz，增強快速模式可達到1MHz。一幀數據傳輸從開始信號開始，在結束信號后停止，在收到開始信號后總線被認為是繁忙的，當收到結束信號后，總線被認為再次空閑。I2C接口具有主機和從機模式、多主機功能、可編程建立和保持時間、時鐘延展功能、DMA存取數據、支持SMBus 2.0協議等特點。

圖1. I2C框圖

I2C接口通信

主機通信流程

主機通信初始化

主機時鐘初始化

在啟動外設(I2CEN)之前，必須先設置I2Cx_CLKCTRL寄存器的各個位用以配置I2C主時鐘。

DIV[7：0]：I2C時鐘分頻；

SDAD[3：0]：數據保持時間（tHD;DAT）

SCLD[3：0]：數據建立時間（tSU;DAT）

SCLH[7：0]：SCL高電平時間

SCLL[7：0]：SCL低電平時間

該寄存器的配置可以使用Artery_I2C_Timing_Configuration時鐘配置工具計算，見第三章節(jié)。低電平控制：當檢測到SCL總線為低電平時，內部SCLL計數器開始計數，當計數值達到SCLL值時，釋放SCL線，SCL線變?yōu)楦唠娖健?/p>

高電平控制：當檢測到SCL總線為高電平時，內部SCLH計數器開始計數，當計數值達到SCLH值時，拉低SCL線，SCL線變?yōu)榈碗娖剑斣诟唠娖狡陂g，如果被外部總線拉低，那么內部SCLH計數器停止計數，并開始低電平計數，這為時鐘同步提供了條件。

圖2. 主機時鐘的產生

主機通信初始化

在啟動通訊前須先設定I2C_CTRL2寄存器中的幾項參數：

設置傳輸字節(jié)數

≤255字節(jié)
配置I2C_CTRL2的RLDEN=0，關閉重載模式
配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=N

＞255字節(jié)
配置I2C_CTRL2的RLDEN=1，使能重載模式
配置I2C_CTRL2的CNT[7:0]=255
剩余傳輸字節(jié)數N=N-255

設置傳輸結束模式

ASTOPEN=0：軟件結束模式，當數據傳輸完成后，I2C_STS的TDC標志置1，軟件設置GENSTOP=1或者GENSTART=1，發(fā)送STOP條件或者START條件。

ASTOPEN=1：自動結束模式，當數據傳輸完成后，自動發(fā)送STOP條件。

設置從機地址

設置尋址的從機地址值（I2C_CTRL2的SADDR）

設置從機地址模式（I2C_CTRL2的ADDR10）
ADDR10=0：7位地址模式
ADDR10=1：10位地址模式

設置傳輸方向（I2C_CTRL2的DIR）

DIR=0：主機接收數據

DIR=1：主機發(fā)送數據

開始傳輸

設置I2C_CTRL2的GENSTART=1，主機開始在總線上發(fā)送START條件和從機地址。

主機10 bits尋址的特殊時序初始化

在10位地址傳輸模式下，I2C_CTRL2的READH10用于產生特殊時序，當READH10=1時，支持如下傳輸序：主機先發(fā)送數據給從機，然后再從從機讀取數據，傳輸時序圖如下圖所示：

圖3. 10位地址的讀訪問READH10=1

主機在軟件結束模式（ASTOPEN=0）下，發(fā)送數據到從機，當數據發(fā)送完成后設置READH10=1，然后再從從機接收數據。

圖4. 10位地址的讀訪問READH10=0

主機通信初始化軟件接口

主機通信初始化所用到的軟件接口通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_init函數三個參數分別為：所使用的I2C、數字濾波值和主機時鐘配置值。

i2c_transmit_set 函數用于初始化通信參數，包括：所使用的I2C、從機地址、傳輸字節(jié)數、停止條件產生模式和起始條件產生模式。

i2c_addr10_mode_enable函數用于使能10位地址模式。

i2c_addr10_header_enable函數用于使能10位地址頭讀取時序，即主機發(fā)送完整的10位從機地址讀序列或主機只發(fā)送10位地址的前7位。

主機發(fā)送流程

I2C_TXDT數據寄存器為空，I2C_STS的TDIS=1；

向TXDT數據寄存器寫入數據，數據開始發(fā)送；

重復1、2步驟直到發(fā)送CNT[7:0]個數據；

如果此時I2C_STS的TCRLD=1（重載模式），分為以下兩種情況：

剩余字節(jié)數N>255：向CNT寫入255，N=N-255，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)；

剩余字節(jié)數N≤255：關閉重載模式（RLDEN=0），向CNT寫入N，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)。

結束時序

停止條件產生：

軟件結束模式（ASTOPEN=0）：此時I2C_STS的TDC置1，設置GENSTOP=1產生STOP條件；

自動結束模式（ASTOPEN=1）：自動產生STOP條件。

等待產生STOP條件，當STOP條件產生時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標志，傳輸結束。

圖5. I2C主機發(fā)送流程圖

圖6. I2C主機發(fā)送時序圖

主機發(fā)送流程軟件接口

主機發(fā)送通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_master_transmit函數為i2c_application.c文件所提供的應用層接口函數，參數包括：I2C結構體指針、從機地址、發(fā)送數據指針、發(fā)送數據字節(jié)數和函數超時時間。

注：此函數為Artery所提供的標準主機發(fā)送函數。用戶也可根據前述主機發(fā)送流程，自行編寫主機發(fā)送函數。

主機接收流程

當收到數據后，RDBF=1，讀取RXDT數據寄存器，RDBF被自動清零；

重復步驟2直到接收CNT[7:0]個數據；

如果此時I2C_STS的TCRLD=1（重載模式），分為以下兩種情況：

剩余字節(jié)數N>255：向CNT寫入255，N=N-255，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)；

剩余字節(jié)數N≤255：關閉重載模式（RLDEN=0），向CNT寫入N，TCRLD被自動清0，傳輸繼續(xù)。

當在接收到最后一個字節(jié)時，主機會自動發(fā)送一個NACK。

結束時序

停止條件產生：

軟件結束模式（ASTOPEN=0）：此時I2C_STS的TDC置1，設置GENSTOP=1產生STOP條件；

自動結束模式（ASTOPEN=1）：自動產生STOP條件。

等待產生STOP條件，當STOP條件產生時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標志，傳輸結束。

圖7. I2C主機接收流程圖

圖8. I2C主機接收時序圖

主機接收流程軟件接口

主機接收通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_master_receive函數為i2c_application.c文件所提供的應用層接口函數，參數包括：I2C結構體指針、從機地址、接收數據指針、接收數據字節(jié)數和函數超時時間。

注：此函數為Artery所提供的標準主機接收函數。用戶也可根據前述主機接收流程，自行編寫主機接收函數。

從機通信流程

從機通信初始化

從機地址配置

每個I2C從設備可同時支持2個從設備地址，由OADDR1和OADDR2指定

I2C_OADDR1

通過ADDR1EN使能

通過ADDR1MODE配置為7位（默認）或10位地址

I2C_OADDR2

通過ADDR2EN使能

固定7位地址模式

可通過ADDR2MASK[2:0]來在進行地址匹配比較時屏蔽掉0~7個LSB地址位
ADDR2MASK=0表示7位地址中的每一位都要參與匹配比較
ADDR2MASK=7表示任何非保留地址的7位地址都會被該從設備應答

從機地址匹配

當I2C啟用的地址選中匹配時，ADDRF中斷狀態(tài)標志會被置1，如果ADDRIEN位為1，就會產生一個中斷。如果兩個從地址都使能，在地址匹配產生ADDR中斷時，可以查看狀態(tài)寄存器中的ADDR[6:0]來得知是OADDR1還是OADDR2被尋址了。

從機字節(jié)控制模式（通常SMBus模式下才使用）

從設備可以對每個收到的字節(jié)進行應答控制。

所需配置：SCTRL=1 & RLDEN=1 & STRETCH=0 & CNT≥1

從機字節(jié)控制流程：

每收到一個字節(jié)TCRLD置位，時鐘延展于第8和第9個脈沖之間

軟件讀取RXDT中的值，并決定是否置位ACK

軟件重裝載CNT=1來停止時鐘延展

應答或非應答信號在第9個脈沖時刻出現在總線上

注意：

置位SCTRL時，必須開啟時鐘延展，即STRETCH=0

CNT可以是大于1的值，來實現多個字節(jié)以自動ACK接收完畢后再啟動應答控制，從設備發(fā)送時推薦關閉SCTRL，此時無需字節(jié)應答控制。

從機通信初始化軟件接口

從機通信初始化所用到的軟件接口通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_own_address1_set函數用于配置OADDR1地址模式以及ADDR1地址值。

i2c_own_address2_set函數用于配置ADDR2地址值以及ADDR2屏蔽位。

i2c_own_address2_enable函數用于使能ADDR2地址。

i2c_slave_data_ctrl_enable函數用于使能從機字節(jié)控制模式。

i2c_clock_stretch_enable函數用于使能從機時鐘延展功能。

i2c_reload_enable函數用于使能發(fā)送數據重載模式。

從機發(fā)送流程

響應主機地址，匹配時回復ACK；

TXDT為空時，置位TDIS，從設備寫入發(fā)送數據；

每發(fā)送一個字節(jié)會收到ACK，且置位TDIS；

如果收到NACK位：

置位NACKF，產生中斷；

從設備自動釋放SCL和SDA（以便主設備發(fā)送STOP或RESTART）；

如果收到STOP位：

置位STOPF，產生中斷；

當從機發(fā)送開啟時鐘延展（STRETCH=0）時，在等待ADDRF標志時和發(fā)送前一個數據的第9個時鐘脈沖后，會把TXDT中的數據拷貝到移位寄存器中，如果此時TDIS還是置位，表示TXDT沒有寫進待發(fā)送數據，將發(fā)生時鐘延展，如下流程圖：

圖9. I2C從機發(fā)送流程圖

需要注意的是，在時鐘延展關閉（STRETCH=1）的情況下，如果在將要傳輸數據的第一個Bit位開始發(fā)送之前，也就是SDA邊沿產生之前，如果數據還未寫入TXDT數據寄存器，那么會發(fā)生欠載錯誤，此時I2C_STS的OUF將會置1，并將0xFF發(fā)送到總線。

為了能及時的寫入數據，可以在通信開始前，先將數據寫入到DT寄存器：軟件先將TDBE置1，目的是為了清空TXDT寄存器的數據，然后將第一個數據寫入TXDT寄存器，此時TDBE清零。

圖10. I2C從機發(fā)送時序圖

從機發(fā)送流程軟件接口

從機發(fā)送通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_slave_transmit函數為i2c_application.c文件所提供的應用層接口函數，參數包括：I2C結構體指針、發(fā)送數據指針、發(fā)送數據字節(jié)數和函數超時時間。

注：此函數為Artery所提供的標準從機發(fā)送函數。用戶也可根據前述從機發(fā)送流程，自行編寫從機發(fā)送函數。

從機接收流程

當收到數據后，RDBF=1，讀取RXDT數據寄存器，RDBF被自動清零；

重復步驟2直到所有數據接收完成；

等待收到STOP條件，當收到STOP條件時，I2C_STS的STOPF置1，將I2C_CLR的STOPC寫1，清除STOPF標志，傳輸結束。

圖11. I2C從機接收流程圖

圖12. I2C從機接收時序圖

從機接收流程軟件接口

從機接收通過獨立的函數接口實現，如下：

i2c_slave_receive函數為i2c_application.c文件所提供的應用層接口函數，參數包括：I2C結構體指針、接收數據指針、接收數據字節(jié)數和函數超時時間。

注：此函數為Artery所提供的標準從機接收函數。用戶也可根據前述從機接收流程，自行編寫從機接收函數。

I2C配置工具

功能簡介

I2C配置工具Artery_I2C_Timing_Configuration.exe可以實現對主機和從機的時鐘、數字濾波、模擬濾波配置。

資源準備

軟件環(huán)境Artery_I2C_Timing_Configuration.exe

圖13. Artery I2C Timing Configuration

使用步驟

選擇芯片型號

選擇當前使用的芯片型號，例如可以選擇AT32F425。

選擇設備模式

Master：主模式，I2C作為主機；

Slave：從模式，I2C作為從機。

選擇I2C速度模式

Standard-mode：標準模式，范圍0~100kHz；

Fast-mode：快速模式，范圍0~400kHz；

Fast-mode Plus：增強快速模式，范圍0~1000kHz。

設置I2C速度（單位kHz）

根據實際需求設置I2C通信速度，例如需要通信速度為10kHz，那么這里設置為10。

設置I2C時鐘源頻率（單位kHz）

根據實際使用的I2C時鐘源頻率來配置，例如AT32425 I2C時鐘源為PCLK1，當AT32425主頻為144MHz，APB1為144MHz時，這里設置為144000。

模擬濾波使能

On：打開；

Off：關閉。

模擬濾波使能后，將過濾50ns以下的脈沖。

數字濾波（范圍0~15）

數字濾波時間=數字濾波值xTI2C_CLK；

其中TI2C_CLK=1/I2C時鐘源頻率。

當值為0時，數字濾波關閉，當值>0時將過濾小于數字濾波時間的脈沖。

上升時間（tr單位ns）

SCL和SDA總線的上升沿，如圖18所示。I2C協議中規(guī)定了在標準模式（Standard-mode）、

快速模式（Fast-mode）、增強快速模式（Fast-mode Plus）下的范圍，詳情請參照表1。上升時間和上拉電阻的阻值關系很大，上拉電阻越小，上升時間越短，可以支持的通信速度就越快，但是功耗也越高。

表2中給出了一些常用上拉電阻阻值所對應的上升沿時間，實際可能會因為總線掛的設備數量、布線等差異而有所不同，僅供參考。

下降時間（tf單位ns）

SCL和SDA總線的下降沿，如圖18所示。I2C協議中規(guī)定了在標準模式（Standard-mode）、快速模式（Fast-mode）、增強快速模式（Fast-mode Plus）下的范圍，詳情請參照表1。

圖14. 上升沿（tr）下降沿（tf）規(guī)范

表1. I2C時間規(guī)范

表2. 常用上拉電阻阻值的tr、tf參考值(VDD=3.3V)

注：該值是總線上連接兩片AT32MCU，一個作為主機，一個作為從機測試出來的值，實際可能會因為總線掛的設備數量、布線等差異而有所不同。

產生代碼

點擊產生代碼，上訴配置的值，將會以代碼的形式產生出來，如下圖紅框所示，只需要將右側輸出的代碼替換到自己的程序即可。

圖15. 代碼產生

審核編輯：湯梓紅