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浅谈 STM32 硬件I2C的使用资料下载
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2021-04-09
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概览我们先来看一下STM32 I2C硬件的结构我们可以看见STM32的硬件I2C有两个和数据有关的寄存器“数据寄存器(Data register)”(DR)和“数据移位寄存器(Data shift register)”(DSR)，我们的软件写入的是DR， DSR用于I2C数据的移位发送和接收，DR和DSR的数据交换由硬件控制——发送时DSR为空，DR不为空时，硬件自动把DR的数据写进DSR；接收时DR为空，DSR不为空，硬件自动把DSR数据写进DR。连续数据传输时，这样两个寄存器的数据交换使得软件读出和写入DR不会影响I2C总线中的数据接收和发送，使I2C的效率更高，这看起来十分美好，但是正是这个特点在某些情况下会变成电工们的噩梦，原因有二：1、硬件上，DR和DSR的交换机制存在缺陷。2、软件上，因为DR和DSR一共能容纳两个字节的数据，导致接收时候NACK的设置有一定的不可预料性。硬件硬件I2C上的缺陷，新版英文ErrSheet已经写得很清楚，就不引用了，这里只简单说说要点和一些个人总结。1、EV7, EV7_1, EV6_1, EV6_3, EV2, EV8 和 EV3 必须在当前字节传输前处理完成，不然，有可能会导致数据出错。这几个事件都涉及到DR和DSR，个人猜测(主要是有个”may be”才敢猜测)可能是读出或者写入DR的同时DSR被填满或清空，导致数据出错。理想情况下“读出或者写入DR的同时DSR被填满或清空”是不可能发生的，中断一来临的时候，CPU马上处理中断请求，读出或者写入DR数据，这时DSR的数据还是“新鲜滚热辣”的，可能连一位都没有接收或发送。但是，在实际使用时，可能有别的中断优先级比I2C的事件中断要高，I2C事件没有及时处理而出现了上述的情况。所以，ST建议把I2C的事件中断设置成最高优先级。2、产生STOP前DSR必须为空，不然，会导致DSR里的数据左移一位。这个没什么好说的，就是一个硬件的BUG，保证发送STOP前DSR没有数据就可以了。3、总线上，开始条件(S)后没有进行数据传输就马上设置停止条件(P)，或者S后忘记P会导致硬件I2C不能再次产生S，必须软复位I2C。这个ST解释成是，STM32严格按照了I2C的标准，S之后没有数据传输是不能P的。其实这点可以体谅，但是，这点如果没有处理好，总线上的错误会导致STM32 I2C陷入瘫痪。软件由于DR和DSR的存在，编程上需要一些技巧，新版英文ErrSheet和参考手册(RM0008)都有相关的操作介绍(Closing the communication)，排除硬件上的缺陷，编程的难点主要在接收时如何可靠地设置NACK上。在只有DSR的MCU上设置NACK是非常简单的，在读出倒数第二个数据前设置一下就可以了，但是个方法在似乎在STM32上行不通，因为STM32有DR和DSR，在倒数第二个数据被接收的时候(RxNE置位)，马上设置NACK，理想情况下没有任何问题，NACK也被正确的发送，但是如果有其他更高优先级的中断打断了这个过程，NACK就不能及时设置，导致从器件收到的是ACK没有释放总线……1、接收2个字节或1个字节时，切换GPIO模式为OD，然后软件下拉SCL引脚，使硬件I2C发生时钟延展，把下一个字节开始传输的时机延后，设置完NACK后，再把GPIO设置回AFOD，但是这只能解决小于两个字节的接收。2、大于2个字节用DMA，DMA可以说是特效药，“屡试不爽”。不过要注意，接收大于或等于2个字节时才能使用DMA，不然不能产生EOT-1事件导致NACK不能正确发送。3、设置I2C事件中断为最高优先等级。方案读到这里你可能会想，硬件有缺陷，软件也得这么“猥琐”，可以说是寸步难行。真的没有其他办法了吗？其实，我们可以把DR和DSR两个当一个用，全部判断BTF，不理会TxE和RxE，用时间来换稳定性，慢点就慢点总比没得用好。发送时：开始，发送写地址，器件应答，清ADDR，一字节数据到写DR，硬件把DR数据写入到DSR，当DSR传输完毕时，DR也为空，BTF置位，这时我们再写一字节数据到DR，如此循环，最后一次BTF置位的时候发送P或者重起始（R）。这样操作，“硬件把DR数据写入到DSR”执行的时间是我们可以预料的，不存在上面提及的冲突问题。接收时：1、接收一个字节：按照ST给的方法。开始，发送读地址，器件应答，清ADDR前软件下拉SCL，写完NACK、STOP和DR后软件再释放SCL。RxNE时读DR。2、接收两个字节：也是按照ST的方法。开始，发送读地址，器件应答，设置POS和ACK，下拉SCL，清ADDR，设置NACK，释放SCL。BTF时，软件拉低SCL，发送STOP，读DR，释放SCL，再读DR。3、接收两个以上字节：开始，发送读地址，器件应答，直接清ADDR。BTF时，读DR一次。再BTF，再读DR一次，如此循环。倒数第二次BTF时设置NACK(注意DR和DSR各有一字节的数据)，读DR一次。再等到最后一次BTF时，软件拉低SCL，发送STOP，读DR，释放SCL，再读DR。干扰当总线空闲时，无论是SCL的跳变(电平高低高)，还是SDA的跳变，都会导致STM32的硬件I2C瘫痪，不能产生下一个S。当总线正在传输数据时，总线上的信号干扰对STM32的硬件I2C来说是致命的。1、空闲时SDA跳变，会产生一个S和一个P，幸好这个P会产生一个中断，我们可以用一个收到P就软复位硬件I2C的策略。这样能避免空闲时SDA跳变带来的干扰。2、空闲时SCL跳变，这是一个I2C的错误信号，但是STM32却会认为这是一个S，所以SCL跳变会导致BUSY置位，而且不会像SDA跳变那样会产生一个P中断。如果在单主的情况下，你可以为I2C的S做一个超时，超时了就软复位I2C就可以，当然最简单的方法还是空闲时关闭I2C(PE置零)。在多从机的情况下，只能等待别的主机发送的一个P，或者伺机软复位。3、传输途中因干扰，产生总线错误(BERR)。单主接收途中出现BERR，可以在关闭硬件I2C后，连续模拟产生9个以上的SCL，在保证SDA为高电平的情况下软复位I2C。4、传输途中因干扰，导致仲裁丢失(ARLO)。单主时和BERR的处理方法相同。(mbbeetchina)
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