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Lecture 9 : Inter Integrated Circuit (I2C) ​

是的，没错，I2C 在 Microelectronic System 里也讲过了

点击这里查看 Microelectronic System 复习 : I2C

背景知识 ​

并行传输和串行传输

  • 并行传输
    • 一次传输多个 bit，通常使用多个数据线同时传输。
  • 串行传输
    • 一次传输一个 bit，通常使用单个数据线按顺序传输。

异步传输和同步传输

  • 异步传输
    • 发送和接收设备不需要共享时钟信号，数据传输的时序由起始位和停止位来控制
    • 比如 USB， UART
  • 同步传输
    • 发送和接收设备共享时钟信号，数据传输的时序由时钟信号来控制
    • 比如 I2C， SPI

Inter Integrated Circuit (I2C) ​

概述 ​

I2C

I2C 是一种同步的串行通讯协议，由飞利浦（Philips）在 1980 年代初期开发，主要用于连接微控制器和各种外设。I2C 的设计目标是实现低速、短距离的通信，适用于嵌入式系统中的各种应用。

I2C 遵从主从架构，主设备负责发起通信并控制数据传输，而从设备则响应主设备的请求。一路 I2C 总线上通常有一个或多个子设备和一个或多个从设备，主设备在同一时间内只有一个处于活动状态。

每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过该地址来选择要与之通信的从设备。从设备通过监听总线上的数据来判断是否是自己的地址，如果是，则响应主设备的请求。这种寻址方式限定了从设备的数量，通常在 7 位地址模式下，最多可以连接 127 个从设备（0x00 地址保留给总线控制器）。在 10 位地址模式下，可以连接更多的从设备，但实际应用中较少使用。

I2C 协议使用两根线进行通信：SDA（Serial Data Line）和 SCL（Serial Clock Line）。SDA 用于传输数据，SCL 用于提供时钟信号。SDA 和 SCL 线都是开漏输出（open-drain），这意味着它们通过上拉电阻连接到高电平（Vcc），并且在传输数据时，设备可以将线拉低到低电平（GND）。这种设计允许多个设备共享同一条总线，并且在总线上只有一个设备可以在同一时间内发送数据，从而避免了冲突。

由于输入和输出都是通过 SDA 线，所以 I2C 是一个半双工的协议。

传输 ​

I2C Transmission

  • 传输起始条件
    • SCL 维持在高电平
    • SDA 由高电平变为低电平
  • 传输停止条件
    • SCL 维持在高电平
    • SDA 由低电平变为高电平
  • 传输数据
    • SDA 线在 SCL 低电平时变化，高电平时保持不变
    • SCL 线在高电平时，SDA 线上的数据被采样

所有的 I2C 数据传输都是以一个字节为单位的，一个消息中的字节数量没有限制。每个字节结束后都需要接收方发送一个 ACK 信号确认。

第一个字节由 7 位地址和 1 位读/写位组成。读/写位为 0 表示写操作，为 1 表示读操作。接收方在接收到地址字节后会发送一个 ACK 信号，表示准备好接收数据。

MBed OS 中的 I2C ​

L432KC

我们使用的开发板 NUCLEO L432KC 也支持 I2C 通讯。它有 I2C1 和 I2C3 两个 I2C 控制器，对应的引脚如图所示。

在 MBed OS 6 中，有 I2C 主机和从机的 API

I2C 主机 API ​

  • I2C(PinName sda, PinName scl)
    • 创建一个 I2C 对象，指定 SDA 和 SCL 引脚
  • int read(int address, char *data, int length, bool repeated = false)
    • 从指定地址读取数据
  • int write(int address, const char *data, int length, bool repeated = false)
    • 向指定地址写入数据
  • int write(int data)
    • 向 I2C 总线写入一个字节的数据
  • int read(int ack)
    • 从 I2C 总线读取一个字节的数据
  • void frequency(int hz)
    • 设置 I2C 的频率
  • void start()
    • 启动 I2C 通讯 (发送起始条件)
  • void stop()
    • 停止 I2C 通讯 (发送停止条件)

样例程序 (来自 MBed OS 6: I2C)

cpp
/*
 * Copyright (c) 2014-2020 Arm Limited and affiliates.
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

#include "mbed.h"

// Read temperature from LM75BD

I2C i2c(I2C_SDA, I2C_SCL);

const int addr7bit = 0x48;      // 7 bit I2C address
const int addr8bit = 0x48 << 1; // 8bit I2C address, 0x90

int main()
{
    char cmd[2];
    while (1) {
        cmd[0] = 0x01;
        cmd[1] = 0x00;
        i2c.write(addr8bit, cmd, 2);

        ThisThread::sleep_for(500);

        cmd[0] = 0x00;
        i2c.write(addr8bit, cmd, 1);
        i2c.read(addr8bit, cmd, 2);

        float tmp = (float((cmd[0] << 8) | cmd[1]) / 256.0);
        printf("Temp = %.2f\n", tmp);
    }
}

I2C 从机 API ​

  • I2CSlave(PinName sda, PinName scl)
    • 创建一个 I2C 从机对象，指定 SDA 和 SCL 引脚
  • void frequency(int hz)
    • 设置 I2C 的频率
  • int receive()
    • 确认总线上的地址是否匹配
    • 返回值的情况
      • 0 : 地址不匹配
      • 1 : 地址匹配，主机在写数据
      • 2 : 地址匹配，主机在读数据
  • int read(char *data, int length)
    • 从 I2C 总线读取数据
  • int write(const char *data, int length)
    • 向 I2C 总线写入数据
  • void address(int address)
    • 设置 I2C 从机的地址
  • void stop(void)
    • 停止 I2C 通讯，重置到待选中状态

样例程序 (来自 MBed OS 6: I2C Slave)

cpp
/*
 * Copyright (c) 2006-2020 Arm Limited and affiliates.
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */
#include <mbed.h>

#if !DEVICE_I2CSLAVE
#error [NOT_SUPPORTED] I2C Slave is not supported
#endif

I2CSlave slave(D14, D15);

int main()
{
    char buf[10];
    char msg[] = "Slave!";

    slave.address(0xA0);
    while (1) {
        int i = slave.receive();
        switch (i) {
            case I2CSlave::ReadAddressed:
                slave.write(msg, strlen(msg) + 1); // Includes null char
                break;
            case I2CSlave::WriteGeneral:
                slave.read(buf, 10);
                printf("Read G: %s\n", buf);
                break;
            case I2CSlave::WriteAddressed:
                slave.read(buf, 10);
                printf("Read A: %s\n", buf);
                break;
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            buf[i] = 0;    // Clear buffer
        }
    }
}

使用 I2C 驱动 TMP102 ​

TMP102 是一个数字温度传感器，具有 I2C 接口。它可以测量温度并通过 I2C 总线将数据传输到主设备。我们可以通过查询 TMP102 的数据手册来了解他的工作原理和寄存器配置。

TMP102

然后，用 MBed OS 中的 I2C 接口驱动 TMP102:

TMP102 with MBed

Data Transfer

在配置 TMP102 的过程中，我们先发送了 0x01 地址，表示我们要配置 TMP102 的配置寄存器。然后发送了 0x60 和 0xA0，分别写入了配置寄存器的第一个和第二个字节

配置寄存器的格式是这样的

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  • One-Shot (OS)
    • 0: 连续转换
    • 1: 单次转换
  • Converter Resolution (R1/R0)
    • 00: 9-bit resolution
    • 01: 10-bit resolution
    • 10: 11-bit resolution
    • 11: 12-bit resolution
  • Fault Queue (F1/F0)
    • 在温度超过设定值时，最多允许多少次错误
  • Polarity (POL)
    • 0: 低电平有效
    • 1: 高电平有效
  • Thermostat Mode (TM)
    • 0: 比较器模式
      • 当温度超过 THIGH 时，AL 置位
      • 之后当温度低于 TLOW 时，AL 复位
    • 1: 中断模式
      • 当温度超过 THIGH 时，AL 置位，
      • 之后当进行一次读操作时，AL 复位
  • Shutdown Mode (SD)
    • 0: 工作模式
    • 1: 休眠模式
  • Conversion Rate (CR1/CR0)
    • 00: 0.25 Hz
    • 01: 1 Hz
    • 10: 4 Hz
    • 11: 8 Hz
  • Alert (AL)
    • 读取 AL 位可以获得比较器模式的状态信息

类似的，我们可以发送不同的地址来写入不同的寄存器

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  • 0x00 : 只读的温度寄存器
  • 0x01 : 可写的配置寄存器
  • 0x02 : 可写的 TLOW 寄存器
  • 0x03 : 可写的 THIGH 寄存器

最后，用 MBed OS 实现对应的功能：

Final Program

便完成了用 I2C 驱动 TMP102 的任务。