淺談 STM32 硬件I2C的使用

淺談 STM32 硬件I2C的使用 (中斷方式 無(wú)DMA 無(wú)最高優(yōu)先級)

STM32的硬件I2C很多人都對它望而卻步。因為很多電工都說(shuō)，STM32 硬件 I2C有BUG、不穩定、死機等等……最后都使用GPIO模擬I2C。

的確，模擬I2C好用。但是在我看來(lái)在一個(gè)72M的Cortex-M3的MCU上這樣做非常不妥。一般來(lái)說(shuō)I2C是一種慢速總線(xiàn)，就算工作在400kHz的快速模式上，I2C傳送每個(gè)字節仍需要至少23us——還沒(méi)有計算地址、起始信號和結束信號的發(fā)送。如果使用GPIO模擬的I2C，這23us的CPU時(shí)間都在空轉中浪費了，而這23us已經(jīng)可以做不少的事情了，所以在STM32上I2C還是使用硬件為佳——雖然它多多少少有點(diǎn)缺陷。

這篇文章不是給完全沒(méi)有接觸過(guò)STM32 硬件I2C的新手看的，看這篇文章之前至少先閱讀STM32的參考手冊(RM0008)。

我們先來(lái)看一下STM32 I2C硬件的結構

file:///C:\Users\Administrator.WIN-STED6B9V5UI\AppData\Local\Temp\ksohtml13908\wps7.jpg

我們可以看見(jiàn)STM32的硬件I2C有兩個(gè)和數據有關(guān)的寄存器“數據寄存器(Data register)”(DR)和“數據移位寄存器(Data shift register)”(DSR)，我們的軟件寫(xiě)入的是DR， DSR用于I2C數據的移位發(fā)送和接收，DR和DSR的數據交換由硬件控制——發(fā)送時(shí)DSR為空，DR不為空時(shí)，硬件自動(dòng)把DR的數據寫(xiě)進(jìn)DSR；接收時(shí)DR為空，DSR不為空，硬件自動(dòng)把DSR數據寫(xiě)進(jìn)DR。連續數據傳輸時(shí)，這樣兩個(gè)寄存器的數據交換使得軟件讀出和寫(xiě)入DR不會(huì )影響I2C總線(xiàn)中的數據接收和發(fā)送，使I2C的效率更高，這看起來(lái)十分美好，但是正是這個(gè)特點(diǎn)在某些情況下會(huì )變成電工們的噩夢(mèng)。原因有二。

1、硬件上，DR和DSR的交換機制存在缺陷。2、軟件上，因為DR和DSR一共能容納兩個(gè)字節的數據，導致接收時(shí)候NACK的設置有一定的不可預料性。

硬件I2C上的缺陷，新版英文ErrSheet已經(jīng)寫(xiě)得很清楚，就不引用了，這里只簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)要點(diǎn)和一些個(gè)人總結。

這幾個(gè)事件都涉及到DR和DSR，個(gè)人猜測(主要是有個(gè)”may be”才敢猜測)可能是讀出或者寫(xiě)入DR的同時(shí)DSR被填滿(mǎn)或清空，導致數據出錯。理想情況下“讀出或者寫(xiě)入DR的同時(shí)DSR被填滿(mǎn)或清空”是不可能發(fā)生的，中斷一來(lái)臨的時(shí)候，CPU馬上處理中斷請求，讀出或者寫(xiě)入DR數據，這時(shí)DSR的數據還是“新鮮滾熱辣”的，可能連一位都沒(méi)有接收或發(fā)送。但是，在實(shí)際使用時(shí)，可能有別的中斷優(yōu)先級比I2C的事件中斷要高，I2C事件沒(méi)有及時(shí)處理而出現了上述的情況。所以，ST建議把I2C的事件中斷設置成最高優(yōu)先級。

這個(gè)沒(méi)什么好說(shuō)的，就是一個(gè)硬件的BUG，保證發(fā)送STOP前DSR沒(méi)有數據就可以了。

這個(gè)ST解釋成是，STM32嚴格按照了I2C的標準，S之后沒(méi)有數據傳輸是不能P的。其實(shí)這點(diǎn)可以體諒，但是，這點(diǎn)如果沒(méi)有處理好，總線(xiàn)上的錯誤會(huì )導致STM32 I2C陷入癱瘓。

由于DR和DSR的存在，編程上需要一些技巧，新版英文ErrSheet和參考手冊(RM0008)都有相關(guān)的操作介紹(Closing the communication)，排除硬件上的缺陷，編程的難點(diǎn)主要在接收時(shí)如何可靠地設置NACK上。

在只有DSR的MCU上設置NACK是非常簡(jiǎn)單的，在讀出倒數第二個(gè)數據前設置一下就可以了，但是個(gè)方法在似乎在STM32上行不通，因為STM32有DR和DSR，在倒數第二個(gè)數據被接收的時(shí)候(RxNE置位)，馬上設置NACK，理想情況下沒(méi)有任何問(wèn)題，NACK也被正確的發(fā)送，但是如果有其他更高優(yōu)先級的中斷打斷了這個(gè)過(guò)程，NACK就不能及時(shí)設置，導致從器件收到的是ACK沒(méi)有釋放總線(xiàn)……

1、接收2個(gè)字節或1個(gè)字節時(shí)，切換GPIO模式為OD，然后軟件下拉SCL引腳，使硬件I2C發(fā)生時(shí)鐘延展，把下一個(gè)字節開(kāi)始傳輸的時(shí)機延后，設置完NACK后，再把GPIO設置回AFOD，但是這只能解決小于兩個(gè)字節的接收。

2、大于2個(gè)字節用DMA，DMA可以說(shuō)是特效藥，“屢試不爽”。不過(guò)要注意，接收大于或等于2個(gè)字節時(shí)才能使用DMA，不然不能產(chǎn)生EOT-1事件導致NACK不能正確發(fā)送。

3、設置I2C事件中斷為最高優(yōu)先等級。

讀到這里你可能會(huì )想，硬件有缺陷，軟件也得這么“猥瑣”，可以說(shuō)是寸步難行。真的沒(méi)有其他辦法了嗎？其實(shí)，我們可以把DR和DSR兩個(gè)當一個(gè)用，全部判斷BTF，不理會(huì )TxE和RxE，用時(shí)間來(lái)?yè)Q穩定性，慢點(diǎn)就慢點(diǎn)總比沒(méi)得用好。發(fā)送時(shí)：開(kāi)始，發(fā)送寫(xiě)地址，器件應答，清ADDR，一字節數據到寫(xiě)DR，硬件把DR數據寫(xiě)入到DSR，當DSR傳輸完畢時(shí)，DR也為空，BTF置位，這時(shí)我們再寫(xiě)一字節數據到DR，如此循環(huán)，最后一次BTF置位的時(shí)候發(fā)送P或者重起始（R）。這樣操作，“硬件把DR數據寫(xiě)入到DSR”執行的時(shí)間是我們可以預料的，不存在上面提及的沖突問(wèn)題。接收時(shí)：1、接收一個(gè)字節：按照ST給的方法。開(kāi)始，發(fā)送讀地址，器件應答，清ADDR前軟件下拉SCL，寫(xiě)完NACK、STOP和DR后軟件再釋放SCL。RxNE時(shí)讀DR。2、接收兩個(gè)字節：也是按照ST的方法。開(kāi)始，發(fā)送讀地址，器件應答，設置POS和ACK，下拉SCL，清ADDR，設置NACK，釋放SCL。BTF時(shí)，軟件拉低SCL，發(fā)送STOP，讀DR，釋放SCL，再讀DR。3、接收兩個(gè)以上字節：開(kāi)始，發(fā)送讀地址，器件應答，直接清ADDR。BTF時(shí)，讀DR一次。再BTF，再讀DR一次，如此循環(huán)。倒數第二次BTF時(shí)設置NACK(注意DR和DSR各有一字節的數據)，讀DR一次。再等到最后一次BTF時(shí)，軟件拉低SCL，發(fā)送STOP，讀DR，釋放SCL，再讀DR。4、請注意在讀取SR2到操作其他I2C寄存器期間使用軟件產(chǎn)生時(shí)鐘延展。2016.02.03  thx:iguesser

當總線(xiàn)空閑時(shí)，無(wú)論是SCL的跳變(電平高低高)，還是SDA的跳變，都會(huì )導致STM32的硬件I2C癱瘓，不能產(chǎn)生下一個(gè)S。當總線(xiàn)正在傳輸數據時(shí)，總線(xiàn)上的信號干擾對STM32的硬件I2C來(lái)說(shuō)是致命的。

1、空閑時(shí)SDA跳變，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)S和一個(gè)P，幸好這個(gè)P會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，我們可以用一個(gè)收到P就軟復位硬件I2C的策略。這樣能避免空閑時(shí)SDA跳變帶來(lái)的干擾。

2、空閑時(shí)SCL跳變，這是一個(gè)I2C的錯誤信號，但是STM32卻會(huì )認為這是一個(gè)S，所以SCL跳變會(huì )導致BUSY置位，而且不會(huì )像SDA跳變那樣會(huì )產(chǎn)生一個(gè)P中斷。如果在單主的情況下，你可以為I2C的S做一個(gè)超時(shí)，超時(shí)了就軟復位I2C就可以，當然最簡(jiǎn)單的方法還是空閑時(shí)關(guān)閉I2C(PE置零)。在多從機的情況下，只能等待別的主機發(fā)送的一個(gè)P，或者伺機軟復位。

3、傳輸途中因干擾，產(chǎn)生總線(xiàn)錯誤(BERR)。單主接收途中出現BERR，可以在關(guān)閉硬件I2C后，連續模擬產(chǎn)生9個(gè)以上的SCL，在保證SDA為高電平的情況下軟復位I2C。

4、傳輸途中因干擾，導致仲裁丟失(ARLO)。單主時(shí)和BERR的處理方法相同。

很多電工們反映，上電也是一個(gè)大問(wèn)題，I2C一上電就馬上BUSY了，第一次的S都不能發(fā)送，我是沒(méi)有遇上這個(gè)問(wèn)題。Google了一下很多都說(shuō)是初始化順序的問(wèn)題。說(shuō)說(shuō)我的初始化吧，打開(kāi)I2C外設的時(shí)鐘、打開(kāi)I2C引腳所在的GPIO的時(shí)鐘、配置 GPIO_AF_OD、 I2C_DeInit、 I2C_Init、 I2C_Cmd，沒(méi)有什么特別。還有一種可能就是，上電時(shí)上電的脈沖干擾了總線(xiàn)，導致某個(gè)從設鎖死了總線(xiàn)(拉低了SDA)導致的BUSY置位，這個(gè)可以用處理BERR的方法，使總線(xiàn)恢復正常。(2012 Jun 6)

總線(xiàn)上的P產(chǎn)生后最好不要配置CR1的ACK位。STOP發(fā)送后配置ACK位——作為主機接收最后一字節時(shí)需要發(fā)送NACK，同時(shí)我們需要響應自己的從機地址，這時(shí)需要重新配置ACK為”1″——有可能導致下一次作為主機通信發(fā)送地址時(shí)，硬件不發(fā)送地址而直接發(fā)送P——這應該是一個(gè)硬件BUG，暫時(shí)還沒(méi)有看見(jiàn)相關(guān)資料——具體表現為EV6死循環(huán)。推薦的做法是設置P前，軟件下拉SCL，設置P，設置ACK，釋放SCL，這樣總線(xiàn)上的P將在釋放SCL后產(chǎn)生。(2012 Jul 3)

這些都是我調STM32硬件I2C的一些心得。上文提及到的中斷接收和發(fā)送方法，我用TIM自動(dòng)更新，產(chǎn)生最高占先優(yōu)先級的中斷，并在中斷里停留70us左右，且重裝載值是一個(gè)素數的情況下，STM32F103VET6 400kHz的I2C跑了近一周沒(méi)有發(fā)現數據錯誤。

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至此，STM32 I2C的問(wèn)題基本解決，歡迎廣大電工們指正、反饋。