2022 iThome 鐵人賽

DAY 26

自我挑戰組

簡單入門 LibOpenCM3 STM32 嵌入式系統開發系列第 26 篇

[Day 26] STM32 LibOpenCM3：I2C

14th鐵人賽 stm32 嵌入式系統

ZiTe

2022-10-09 12:04:51

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前言

在上一篇中，我簡單介紹了 SPI 的用法，而除了 SPI 外還有另一種非常常見的通訊協定——I²C（以下稱 I2C）。

I2C 和 SPI 一樣是主從式架構，I2C 的主要特色就是無論有多少 Slave device 都只需要兩條線就可以完成通訊。

在這一篇文章中，我不會詳細介紹 I2C 本身，但建議還是要對它有基本的瞭解比較好，在此推薦「I2C bus 簡介 (Inter-Integrated Circuit Bus) @ 傑克! 真是太神奇了!」及「【Day21】I2C的介紹 - iT 邦幫忙」這兩篇文章。

24C256 是一個擁有 I2C 介面的 EEPROM，這次將示範如何使用 STM32 來透過 I2C 對其進行資料的讀寫，且可以用 USART 進行操作。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 爲「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 與 main.h。

完整程式

/**
 * @file   main.c
 * @brief  I2C EEPROM (24C256) example for STM32 Nucleo-F446RE.
 */

#include "main.h"

int main(void)
{
  rcc_setup();
  i2c_setup();
  usart_setup();

  while (1)
  { }
  return 0;
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);

  rcc_periph_clock_enable(RCC_I2C_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_I2C1);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART_TXRX_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART2);
}

static void i2c_setup(void)
{
  /* Set SCL & SDA pin to open-drain alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_I2C_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_output_options(GPIO_I2C_PORT,
                          GPIO_OTYPE_OD,
                          GPIO_OSPEED_50MHZ,
                          GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_I2C_PORT,
              GPIO_I2C_AF,
              GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  uint32_t i2c = I2C1;

  i2c_peripheral_disable(i2c);
  i2c_reset(i2c);

  i2c_set_speed(i2c,
                i2c_speed_fm_400k,         /* 400 kHz Fast mode. */
                rcc_apb1_frequency / 1e6); /* I2C clock in MHz. */

  i2c_peripheral_enable(i2c);
}

static void usart_setup(void)
{
  /* Set USART-Tx & Rx pin to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_USART_TXRX_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_USART_TX_PIN | GPIO_USART_RX_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_USART_TXRX_PORT,
              GPIO_USART_AF,
              GPIO_USART_TX_PIN | GPIO_USART_RX_PIN);

  /* Setup interrupt. */
  nvic_enable_irq(NVIC_USART2_IRQ);
  usart_enable_rx_interrupt(USART2);

  /* Config USART params. */
  usart_set_baudrate(USART2, USART_BAUDRATE);
  usart_set_databits(USART2, 8);
  usart_set_stopbits(USART2, USART_STOPBITS_1);
  usart_set_parity(USART2, USART_PARITY_NONE);
  usart_set_flow_control(USART2, USART_FLOWCONTROL_NONE);
  usart_set_mode(USART2, USART_MODE_TX_RX);

  usart_enable(USART2);
}

static void delay(uint32_t value)
{
  for (uint32_t i = 0; i < value; i++)
  {
    __asm__("nop"); /* Do nothing. */
  }
}

/**
 * @brief USART2 Interrupt service routine.
 */
void usart2_isr(void)
{
  usart_disable_rx_interrupt(USART2);

  uint8_t cmd = usart_recv(USART2);
  if (cmd == 0x00) /* Write command. */
  {
    uint8_t i2c_rx_data[1];
    uint8_t i2c_tx_data[3];
    i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
    i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */
    i2c_tx_data[2] = usart_recv_blocking(USART2); /* Data. */

    i2c_transfer7(I2C1,
                  I2C_SLAVE_ADDRESS,
                  i2c_tx_data, /* Tx data array. */
                  3,           /* Tx data length. */
                  i2c_rx_data, /* Rx data array. */
                  0);          /* Rx data lenght. */

    usart_send_blocking(USART2, 0xF0); /* Write done ACK. */
  }
  else if (cmd == 0x01) /* Read command. */
  {
    uint8_t i2c_rx_data[1];
    uint8_t i2c_tx_data[2];
    i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
    i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */

    i2c_transfer7(I2C1,
                  I2C_SLAVE_ADDRESS,
                  i2c_tx_data, /* Tx data array. */
                  2,           /* Tx data length. */
                  i2c_rx_data, /* Rx data array. */
                  1);          /* Rx data lenght. */

    usart_send_blocking(USART2, i2c_rx_data[0]);
  }
  else /* Unknown command. */
  {
    usart_send_blocking(USART2, 0xFF); 
  }

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  USART_SR(USART2) &= ~USART_SR_RXNE;
  usart_enable_rx_interrupt(USART2);
}

/** @file   main.h */

#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/i2c.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

#define I2C_SLAVE_ADDRESS ((uint8_t)0x50)
#define USART_BAUDRATE (9600)

#define RCC_I2C_GPIO (RCC_GPIOB)
#define GPIO_I2C_PORT (GPIOB)
#define GPIO_I2C_SCL_PIN (GPIO8) /* D15. */
#define GPIO_I2C_SDA_PIN (GPIO9) /* D14. */
#define GPIO_I2C_AF (GPIO_AF4)   /* Ref: Table-11 in DS10693. */

#define RCC_USART_TXRX_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_USART_TXRX_PORT (GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PIN (GPIO2) /* ST-Link (D1). */
#define GPIO_USART_RX_PIN (GPIO3) /* ST-Link (D0). */
#define GPIO_USART_AF (GPIO_AF7)  /* Ref: Table-11 in DS10693. */

static void rcc_setup(void);
static void i2c_setup(void);
static void delay(uint32_t value);
static void usart_setup(void);

#endif /* MAIN_H. */

分段說明

Include

// main.h
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/i2c.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

除了基本的 rcc.h 和 gpio.h 及這次的 i2c.h 外，因爲我要使用 USART 和中斷功能，所以還會需要 usart.h 與 nvic.h。

設定 I2C

static void i2c_setup(void)
{
  /* Set SCL & SDA pin to open-drain alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_I2C_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_output_options(GPIO_I2C_PORT,
                          GPIO_OTYPE_OD,
                          GPIO_OSPEED_50MHZ,
                          GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_I2C_PORT,
              GPIO_I2C_AF,
              GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  uint32_t i2c = I2C1;

  i2c_peripheral_disable(i2c);
  i2c_reset(i2c);

  i2c_set_speed(i2c,
                i2c_speed_fm_400k,         /* 400 kHz Fast mode. */
                rcc_apb1_frequency / 1e6); /* I2C clock in MHz. */

  i2c_peripheral_enable(i2c);
}

首先一樣先設定好 I2C 要使用的 SCL 與 SDA 接腳，將其設爲 Open-Drain 的 AF 功能。

再來要設定 I2C 本身。不同於 SPI 規定比較寬鬆（或說自由），I2C 本身的通訊規範基本上都定義好了，所以我們需要調整（或說可以調整）的設定就很少。這裡我們只需要設定要使用的 I2C 速度即可。

24C256 支援的 I2C 速度模式有：

Standard mode: 100 kbps
Fast mode: 400 kbps
Fast mode Plus: 1Mbps

這裡我選擇使用「Fast mode」。以 i2c_set_speed() 函式進行設定，此函式的第二個引數 i2c_speed_fm_400k 就代表要使用「Fast mode」，而第三個引數要給的是 I2C 的時脈，對於 F446RE 或大多數的 STM32，這個速度等同 APB1。

USART ISQ

/**
 * @brief USART2 Interrupt service routine.
 */
void usart2_isr(void)
{
  usart_disable_rx_interrupt(USART2);

  uint8_t cmd = usart_recv(USART2);
  if (cmd == 0x00) /* Write command. */
  {
    uint8_t i2c_rx_data[1];
    uint8_t i2c_tx_data[3];
    i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
    i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */
    i2c_tx_data[2] = usart_recv_blocking(USART2); /* Data. */

    i2c_transfer7(I2C1,
                  I2C_SLAVE_ADDRESS,
                  i2c_tx_data, /* Tx data array. */
                  3,           /* Tx data length. */
                  i2c_rx_data, /* Rx data array. */
                  0);          /* Rx data lenght. */

    usart_send_blocking(USART2, 0xF0); /* Write done ACK. */
  }
  else if (cmd == 0x01) /* Read command. */
  {
    uint8_t i2c_rx_data[1];
    uint8_t i2c_tx_data[2];
    i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
    i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */

    i2c_transfer7(I2C1,
                  I2C_SLAVE_ADDRESS,
                  i2c_tx_data, /* Tx data array. */
                  2,           /* Tx data length. */
                  i2c_rx_data, /* Rx data array. */
                  1);          /* Rx data lenght. */

    usart_send_blocking(USART2, i2c_rx_data[0]);
  }
  else /* Unknown command. */
  {
    usart_send_blocking(USART2, 0xFF); 
  }

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  USART_SR(USART2) &= ~USART_SR_RXNE;
  usart_enable_rx_interrupt(USART2);
}

這是 USART 的 ISQ。

我自己定義了一個簡單的 USART 指令格式：<RW> <Address_1> <Address_2> <Data>

若要在 24C256 的 0x0102 位置寫入資料 0xAB，就是用 USART 傳送：0x00 0x01 0x02 0xAB，完成後會收到一個 0xF0 作爲 ACK 確認。同理，要在 0x0FCD 寫入 0x40 拿就是要傳送 0x00 0x0F 0xCD 0x40。

要讀取 0x0102 位置的資料的話，那就是用 USART 傳送：0x01 0x01 0x02，然後 STM32 就會回傳該位置的資料。

24C256 的定址範圍爲 0x0000 ~ 0x7FFF 共 32768 個位置，每個位置皆爲一個 Byte。

當 USART 接收到一筆資料時，會先判斷這是要進行寫（0x00）還是讀（0x01）。然後再使用 I2C 傳送資料。

i2c_transfer7() 用來進行 I2C 的傳輸，讀和寫都靠它。其參數意義依序爲：

使用的 I2C。這裡是用 I2C1。
要溝通的 Slave device I2C 7-bit 位置。24C256 的預設位置爲 0x50。
傳送資料陣列，即要傳送的位元組陣列。
傳送資料長度，要傳送幾個 Byte。填 0 代表不進行傳送。
接收資料陣列，接收到的資料會存進來。
接收資料長度，要接收幾個 Byte。填 0 代表不進行接收。

24C256 基本的讀寫操作也是很簡單。要寫的話就是依序傳送「位置-高、位置-低、資料」這 3 個位元組即可。要讀的話就是依序傳送「位置-高、位置-低」這 2 個位元組，然後就可以讀取該位置的資料位元組。

因此寫入的程式爲：

uint8_t i2c_rx_data[1];
uint8_t i2c_tx_data[3];
i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */
i2c_tx_data[2] = usart_recv_blocking(USART2); /* Data. */

i2c_transfer7(I2C1,
              I2C_SLAVE_ADDRESS,
              i2c_tx_data, /* Tx data array. */
              3,           /* Tx data length. */
              i2c_rx_data, /* Rx data array. */
              0);          /* Rx data lenght. */

而讀取的程式爲：

uint8_t i2c_rx_data[1];
uint8_t i2c_tx_data[2];
i2c_tx_data[0] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 1. */
i2c_tx_data[1] = usart_recv_blocking(USART2); /* Address 2. */

i2c_transfer7(I2C1,
              I2C_SLAVE_ADDRESS,
              i2c_tx_data, /* Tx data array. */
              2,           /* Tx data length. */
              i2c_rx_data, /* Rx data array. */
              1);          /* Rx data lenght. */

usart_send_blocking(USART2, i2c_rx_data[0]);

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

由於本例的差異比較大，爲了不佔版面這裡就不列出的，完整的程式請看 GitHub repo。

特別要主要的是，F103RB 要使用 PB8 和 PB9 作爲 I2C 的 SCL 及 SDA 腳時，要啓用「Remap」。詳細請參考 DS5319 的 Table 5。

static void i2c_setup(void)
{
  /* Set SCL & SDA pin to open-drain alternate function. */
#if defined(STM32F1)
  gpio_set_mode(GPIO_I2C_PORT,
                GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_OPENDRAIN,
                GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  /*
   * Alternate function remap is required for
   * using I2C1_SCL & SDA on PB8 & PB9.
   * Refer to Table-5 in DS5319.
   */
  gpio_primary_remap(AFIO_MAPR_SWJ_CFG_FULL_SWJ,
                     AFIO_MAPR_I2C1_REMAP);
#else
  gpio_mode_setup(GPIO_I2C_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_output_options(GPIO_I2C_PORT,
                          GPIO_OTYPE_OD,
                          GPIO_OSPEED_50MHZ,
                          GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_I2C_PORT,
              GPIO_I2C_AF,
              GPIO_I2C_SCL_PIN | GPIO_I2C_SDA_PIN);
#endif
  uint32_t i2c = I2C1;

  i2c_peripheral_disable(i2c);
  i2c_reset(i2c);

  i2c_set_speed(i2c,
                i2c_speed_fm_400k,         /* 400 kHz Fast mode. */
                rcc_apb1_frequency / 1e6); /* I2C clock in MHz. */

  i2c_peripheral_enable(i2c);
}

成果

我首先將 0xAB 寫入 0x0000 (00 00 00 AB)，再寫入 0x39 到 0x0001（00 00 01 39）。

然後讀取 0x0000（01 00 00）得到回傳的 0xAB，再讀取 0x0001（01 00 01）得到 0x39。

最後再次寫入 0xCD 到 0x0000（00 00 00 CD），再讀取它（01 00 00）得到 0xCD。

小結

這次介紹了 I2C 的程式寫法。SPI 與 I2C 是各種電路模組或 IC 會使用的通訊協定，只要會使用 SPI 與 I2C，那基本上常見的模組都可以使用了，因此 I2C 是一個很重要的功能，還好 STM32 本身的硬體及 LibOpenCM3 都把那些複雜的設定做好了，因此要使用 I2C 相當容易。

參考資料

本文的程式也有放在 GitHub 上。
本文同步發表於我的 Blog。

[Day 25] STM32 LibOpenCM3：SPI (Slave mode)

[Day 27] STM32 LibOpenCM3：CRC

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