STM32 HAL库实现硬件IIC通信

文章目录

  • 一. 前言
  • 二. 关于IIC通信
  • 三. IIC通信过程
  • 四. STM32实现硬件IIC通信
  • 五. 关于硬件IIC的Bug

一. 前言

最近正在DIY一款智能电池，需要使用STM32F030F4P6和TI的电池管理芯片BQ40Z50进行SMBUS通信。SMBUS本质上就是IIC通信，项目用到STM32CubeMX+HAL库，使用硬件IIC完成MCU对芯片的寄存器数据的读取和改写。

整篇博客主要是梳理一下IIC的通信流程，并记录一下项目实现的过程，如有错的地方，欢迎各位读者批评指正。

二. 关于IIC通信

总线又两条信号线构成一条是数据线SDA ,用于数据传输。另一条则是时钟线SCL ，用于传输CLK信号，始终由主设备控制，主机（Master） 通过控制时钟信号可以实现对从机（Slave） 的控制与读写操作。各设备通过SDA、SCL接入总线，每个连接到IIC总线上的器件都有一个唯一的地址，如上图所示。

SDA和SCL需通过上拉电阻 接至VCC。由于连接到总线上的器件输出级必须是漏极开路或者集电极开路的，因此只要有一个器件任意时刻输出低电平，都将总线上的信号变低；当IIC总线空闲时，SDA和SCL两条线均为高电平，即各器件的SDA和SCL都是线与的关系。

三. IIC通信过程

IIC通信过程由一系列的操作组成：

  1. 起始信号 ：通信开始时，主设备发送一个低电平的SCL时钟脉冲，然后再发送一个低电平的SDA数据线脉冲。这个SDA的下降沿表示I2C总线上的一个开始信号。

  2. 从设备地址 ：主设备发送从设备地址到I2C总线。I2C地址由7Bit或10Bit组成，取决于使用的设备。

  3. 读/写位传输 ：读写位占据 1bit 数据，指定了数据传输的方向：

    a. 主设备发送数据，从设备接受数据，为 0 
b. 主设备接收数据，从设备发送数据，为 1

  4. 仲裁机制和应答 ：应答位由1个Bit的数据组成。主设备通过检测应答位，以确定从设备是否存在。若主设备收到的是NACK，这会让主设备发生重启或停止流程：

     a. 如果从设备存在并正确收到地址，从设备将SDA下拉，产生应答信号 0 （ACK）。
 b. 如果从设备不存在或未正确收到地址，导致SDA空闲，产生非应答信号1（NACK）。

  5. 数据传输 ：在确认通信目标后，主设备将发送或接收数据。数据传输是在主机产生的每个时钟周期的上升沿或下降沿进行的。

    a. 主设备发送数据： 上图所示，主设备 将要发送的数据位（8位或更多）依次发送到SDA线上，并在每个时钟周期上升沿时更新数据。从设备在每个时钟周期下降沿时接收数据，并在接收之后发送应答位来确认是否接收正确。

    b. 主设备接收数据： 上图所示，当读/写传输位为1时，到了数据传输时，主机从发送变成接收，从机从接收变成发送。从设备 将要发送的数据位（8位或更多）依次发送到SDA线上，并在每个时钟周期上升沿时更新数据。主设备在每个CLK下降沿时接收数据，并在接收之后发送应答位来确认是否接收正确。

  6. 停止信号（Stop Signal） ：通信完成后，主设备发送一个停止信号，由一个高电平的SCL时钟脉冲和一个高电平的SDA数据线脉冲组成。这个SDA的上升沿表示I2C总线上的一个停止信号。

四. STM32实现硬件IIC通信

本项目用的是STM32F030F4P6通过Smbus通信和TI的电池管理芯片BQ40Z50通信，读取电池内部的电压、电流及电量信息，并且通过改写电池内部寄存器控制输入输出的Mos管。Smbus本质上就是IIC通信，下面通过访问BQ40Z50内部的电压寄存器的例子来说明模拟IIC的实现过程：

STM32CubeMX配置如下：


1. 主设备： STM32F030F4P6
2. 从设备： BQ40Z50
3. 通信频率： 10-100KHz
4. 从设备地址： 0x16
5. 电压寄存器地址： 0x09

读取寄存器数据：

  1. 主机（STM32）首先产生Start信号。
  2. 然后紧跟着发送从机设备地址（0x16），此时读写位为0，表明是向从机写命令；
  3. 这时候主机等待从机（BQ40Z50）的应答信号(ACK)。
  4. 当主机收到应答信号时，发送要访问的寄存器地址（0x09），继续等待从机的应答信号；
  5. 当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式，主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送。接着主机重新发送一个开始Start信号，然后紧跟着发送从机地址（0x16），注意此时读写位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据。
  6. 这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收从机发送来的寄存器数据。
  7. 主机产生停止信号，结束传送过程。

虽然通信过程比较复杂，但是实现非常简单。因为大部分步骤HAL库已经封装好。直接调用现成的接口即可：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,
                                   uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
                                   /**
* @brief  Read an amount of data in blocking mode from a specific memory address
* @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
*                the configuration information for the specified I2C.
* @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
*         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
* @param  MemAddress Internal memory address
* @param  MemAddSize Size of internal memory address
* @param  pData Pointer to data buffer
* @param  Size Amount of data to be sent
* @param  Timeout Timeout duration
* @retval HAL status
*/

比如，读取BQ40Z50的电压：

Uint8_t Rxbuffer[2];//用于接受数据的数组
			 
HAL_I2C_Mem_Read(hi2cx,0x16,0x09,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,Rxbuffer,2,OxFF);//IIC接受从机数据

voltage = Rxbuffer[1]<<8|Rxbuffer[0];//对接受数据进行解析

同样的，写入寄存器数据：

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,
                                    uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
/**
  * @brief  Write an amount of data in blocking mode to a specific memory address
  * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified I2C.
  * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
  *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
  * @param  MemAddress Internal memory address
  * @param  MemAddSize Size of internal memory address
  * @param  pData Pointer to data buffer
  * @param  Size Amount of data to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */

比如：向0x00写入0x270C和0x430D可以关闭BQ40Z50的Mos管：

uint8_t Mos_off [2];
Mos_off [0] = 0x0C;
Mos_off [1] = 0x27;
if(HAL_I2C_Mem_Write(hi2cx,0x16,0x00,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,Mos_off ,2,0xFF)==HAL_OK)
{
	Mos_off [0] = 0x3D;
	Mos_off [1] = 0x04;
	HAL_I2C_Mem_Write(hi2cx,0x16,0x00,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,Mos_off ,2,0xFF);
}

五. 关于硬件IIC的Bug

在开发过程中，IIC经常会遇到很多莫名其妙的Bug，比如反复超时，陷入I2C_WaitOnFlagUntilTimeout()死循环中，或者是一直处于HAL_I2C_STATE_BUSY_RX直接卡死，看了网络上很多的帖子，但是都没有找到好的解决办法。

这里的解决方式非常简单粗暴，就在卡死的地方直接对硬件IIC进行重置，重新初始化，亲测有效。

各位有什么更好的方法，欢迎在评论区留言，一起探讨。

void User_I2C_ErrorInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
	HAL_I2C_DeInit(hi2c);
	
	hi2c->Instance = I2C1;
	hi2c->Init.Timing = 0x2000090E;
	hi2c->Init.OwnAddress1 = 0;
	hi2c->Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
	hi2c->Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
	hi2c->Init.OwnAddress2 = 0;
	hi2c->Init.OwnAddress2Masks = I2C_OA2_NOMASK;
	hi2c->Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
	hi2c->Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;

    hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_SWRST;
    hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_SWRST;

	if (HAL_I2C_Init(hi2c) != HAL_OK)
	{
		User_Error_Handler();
	}

	/** Configure Analogue filter
	*/
	if (HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter(hi2c, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE) != HAL_OK)
	{
		User_Error_Handler();
	}

	/** Configure Digital filter
	*/
	if (HAL_I2CEx_ConfigDigitalFilter(hi2c, 0) != HAL_OK)
	{
		User_Error_Handler();
	}
}

static void User_Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

各位有什么更好的方法，欢迎在评论区留言，一起探讨。

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