河南馳誠(chéng)電氣股份有限公司 朱 斌 張 磊 怯肇乾

1 引言

意法半導(dǎo)體STM(STMicroelectronics)的Cortex-M系列微控制器MCU(Micro Control Unit)，性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛。然而，其片內(nèi)集成的硬件IIC總線(Inter-Integrated Circuit)接口運(yùn)用，幾乎是共認(rèn)的“雞肋”。此類MCU外接IIC設(shè)備，如數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(Ramdom Access Memory)、傳感器Sensor、液晶顯示模塊LCM()等，很多工程師，寧可用通用輸入輸出端口GPIO(General Purpose Input Output)模擬實(shí)現(xiàn)IIC通信，也不用其片內(nèi)集成的IIC接口。

選用片內(nèi)IIC接口，即使采用STM提供的庫(kù)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，程序卡死或跑飛，是“家常便飯”。GPIO模擬IIC通信，盡管容易實(shí)現(xiàn)，但它耗用MCU資源多，形成的IIC時(shí)序不規(guī)范，而且為保證IIC時(shí)序的完整性而在通信期間關(guān)閉系統(tǒng)中斷又會(huì)嚴(yán)重影響嵌入式軟件體系的整體調(diào)度性能。

GPIO模擬IIC“得不償失”，閑置片內(nèi)IIC“棄之可惜”。深入研究STM-MCU-IIC時(shí)序，借鑒GPIO模擬和STM庫(kù)函數(shù)通信經(jīng)驗(yàn)，充分運(yùn)用并簡(jiǎn)化片內(nèi)IIC驅(qū)動(dòng)通信，勢(shì)在必行。

2 片內(nèi)IIC驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀[1][4]

選用片內(nèi)IIC接口，采用STM-IIC驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)或自編驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行IIC總線主從通信，通常MCU為主，設(shè)備為從，很容易捕捉發(fā)現(xiàn)：發(fā)送數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題，接收多個(gè)數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題，讀入1個(gè)數(shù)據(jù)，IIC總線停止。對(duì)于RAM等外設(shè)的訪問(wèn)，多讀幾個(gè)數(shù)據(jù)很容易回避讀入1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)的“尷尬”，但必需讀入1個(gè)字節(jié)的寄存器時(shí)，就不得不“面對(duì)”了。

圖1下面給出的是示波器測(cè)量空氣質(zhì)量傳感器CSS811的配置與狀態(tài)回讀時(shí)序，CSS811作為從機(jī)，地址為0x5A，對(duì)CSS811內(nèi)部寄存器0x01地址寫入0x38完成配置，之后對(duì)狀態(tài)寄存器0x00回讀1 字節(jié)，即：發(fā)送0x01、0x38完成配置，發(fā)送0x00啟動(dòng)狀態(tài)讀，之后讀入1 字節(jié)。

圖1說(shuō)明，按1個(gè)字讀，沒(méi)有結(jié)果；按2個(gè)以上字節(jié)讀，數(shù)據(jù)線拉低，致使IIC總線停止。

圖1 片內(nèi)IIC原始收發(fā)時(shí)序展示圖Dig.1 Transmit & receive Timing Diagram for Primitive IIC on Chip

圖2 STM-CortexMx-MCU-IIC主發(fā)送器傳送序列及其說(shuō)明圖Dig.2 STM-CortexMx-MCU-IIC Master Sender Timing Diagram

圖3 STM-CortexMx-MCU-IIC主接收器傳送序列及其說(shuō)明圖Dig.3 STM-CortexMx-MCU-IIC Slaver Sender Timing Diagram

3 片內(nèi)IIC操作研究[1][3][4]

深入研究各類STM-CortexMx-MCU參考手冊(cè)的IIC總線控制器，以7位地址主機(jī)收發(fā)為例，歸納IIC操作控制時(shí)序，如圖2、3所示。

對(duì)比圖2、3的傳送序列和片內(nèi)IIC驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀，可以看到：IIC發(fā)送和多字節(jié)接收，各個(gè)操控時(shí)刻點(diǎn)和內(nèi)容非常明確，所以很容易編程實(shí)現(xiàn)；而單字節(jié)接收的操控時(shí)刻點(diǎn)EV6_1極難把握，幾乎沒(méi)有辦法及時(shí)發(fā)出清除位和產(chǎn)生停止位。在發(fā)出“從設(shè)備地址slvAddr+讀r”后，產(chǎn)生停止位，就會(huì)收不到任何數(shù)據(jù)；在收好數(shù)據(jù)后產(chǎn)生停止位，就出現(xiàn)數(shù)據(jù)線拉低的IIC總線停止現(xiàn)象。

4 片內(nèi)IIC恰當(dāng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[2][3][5]

確定單字節(jié)接收的操控時(shí)刻點(diǎn)EV6_1，準(zhǔn)確給出操控指令，是片內(nèi)IIC驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

針對(duì)單字節(jié)數(shù)據(jù)接收，先標(biāo)記“發(fā)出從設(shè)備地址slvAddr+讀r”，再在收到數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)并且有“發(fā)出從設(shè)備地址slvAddr+讀r”標(biāo)識(shí)后“控制發(fā)送停止位并清除發(fā)出從設(shè)備地址slvAddr+讀r標(biāo)識(shí)，之后讀入數(shù)據(jù)。跟蹤試驗(yàn)，問(wèn)題解決，并且不響應(yīng)2個(gè)以上數(shù)據(jù)的接收。綜合設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)钠瑑?nèi)IIC驅(qū)動(dòng)程序流程如圖4所示，這里采用GPIO模擬IIC的中斷關(guān)閉經(jīng)驗(yàn)，在中斷中進(jìn)行IIC數(shù)據(jù)收發(fā)，并且設(shè)置IIC收發(fā)中斷事件優(yōu)先級(jí)僅次于系統(tǒng)調(diào)度時(shí)鐘，以確保不因其它事件插入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而破壞IIC操控時(shí)序的完整性。

圖4 恰當(dāng)?shù)钠瑑?nèi)IIC驅(qū)動(dòng)程序流程圖Dig.4 Fitting Driver Flow Chart for IIC on Chip

驅(qū)動(dòng)程序有4個(gè)部分啟動(dòng)準(zhǔn)備、從機(jī)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送，前2部分是操控，后2部分是收發(fā)，字節(jié)流形式，每次進(jìn)入僅完成1個(gè)部分操作，不同于傳統(tǒng)的軟件流。

主要實(shí)現(xiàn)程序代碼如下，篇幅限制，略去初始化部分：

unsigned char slvAddr = 0x07； // 主機(jī)欲尋址的從機(jī)地址

unsigned char IIC2_Buf[Iic2BufSize]； // IIC2: 收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖

int IIC2_DtaPrt;

char IIC2_MsgFlag，IIC2_EvtFlag = 0； // 接收標(biāo)識(shí): 公共信息[0-是/1-非]，事件

short IIC2_DataCts； // 收發(fā)計(jì)數(shù)器

char IIC2_Mode； // 收發(fā)標(biāo)識(shí): 0--收，1--發(fā)

char IIC2_Read(unsigned int count) // IIC2數(shù)據(jù)接收(指定數(shù)量,返回標(biāo)識(shí)公共信息標(biāo)識(shí))

{ IIC2_Mode = 0；IIC2_DtaPrt = 0;

IIC2_DataCts = count;

IIC2_MsgFlag = 0；IIC2_EvtFlag = 0;

IIC2_CR1 |= 1 << 8； // 啟動(dòng)IIC控制傳輸[主模式]

if(IIC2_DataCts>1) IIC2_CR1 |= 1 << 10； // 允許應(yīng)答

while(IIC2_DataCts) ； // 等待數(shù)據(jù)接收完成(中斷方式)

return IIC2_MsgFlag;

}

void IIC2_Write(unsigned int count) // IIC2數(shù)據(jù)發(fā)送(指定數(shù)據(jù)數(shù)量)

{ IIC2_Mode = 1；IIC2_DtaPrt = 0;

IIC2_DataCts = count；IIC2_EvtFlag = 0;

IIC2_CR1 |= 1 << 8； // 啟動(dòng)IIC控制傳輸[主模式]

IIC2_CR1 |= 1 << 10； // 允許應(yīng)答

while(IIC2_DataCts) ； // 等待數(shù)據(jù)接收完成(中斷方式)

IIC2_CR1 |= 1 << 9； // 停止IIC控制傳輸[主模式]

}

void Iic2Evt_Process(void) // IIC2數(shù)據(jù)收發(fā)處理

{ unsigned int iicSt = IIC2_SR2； // 獲得IIC2工作狀態(tài)

iicSt <<= 16；iicSt |= IIC2_SR1;

if((iicSt&0x00030001)==0x00030001) // 主機(jī)收發(fā): 啟動(dòng)位已經(jīng)發(fā)出，準(zhǔn)備SLA+W/R

{ if(IIC2_Mode) IIC2_DR = slvAddr << 1； // 寫W

else IIC2_DR = (slvAddr << 1) | 1； // 讀R

}

if(!IIC2_Mode) // 主機(jī)接收

{ if((iicSt&0x00030002)==0x00030002) // 已經(jīng)發(fā)出SLA+R，收到了ACK

{ if(IIC2_DataCts==1) // 只有一個(gè)字節(jié),NACK

{ IIC2_CR1 &= ～(1 << 10);

IIC2_CR1 &= ～(1 << 9);

IIC2_EvtFlag |= 1;

}

}

else if((iicSt&0x00030040)==0x00030040) // 數(shù)據(jù)接收

{ if(IIC2_EvtFlag&1)

{ IIC2_CR1 |= 1 << 9;

IIC2_EvtFlag &= ～1;

}

IIC2_Buf[IIC2_DtaPrt++] = IIC2_DR;

IIC2_DataCts--;

if(IIC2_DataCts==1) // 最后字節(jié),NACK

{ IIC2_CR1 &= ～(1 << 10);

IIC2_CR1 |= 1 << 9;

}

}}

if(IIC2_Mode) // 主機(jī)發(fā)送

{ if((iicSt&0x00070082)==0x00070082) // 已經(jīng)發(fā)出SLA+W，收到了ACK

IIC2_EvtFlag |= 1;

else if((IIC2_EvtFlag&1)&& // 第一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送

((iicSt&0x00070080)==0x00070080))

{ IIC2_DR = IIC2_Buf[IIC2_DtaPrt++];

IIC2_DataCts--；IIC2_EvtFlag &= ～1;

}

else if((iicSt&0x00070084)==0x00070084) // 數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸，收到了ACK

{ if(IIC2_DataCts) // 繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)

{ IIC2_DR = IIC2_Buf[IIC2_DtaPrt++];

IIC2_DataCts--;

}

}}

}

所有驅(qū)動(dòng)代碼，不過(guò)200行，相對(duì)GPIO模擬IIC和STM-IIC庫(kù)函數(shù)，得到了最大的簡(jiǎn)化。

5 實(shí)踐應(yīng)用測(cè)試

圖5是示波器捕捉的前述空氣質(zhì)量傳感器CSS811(從地址0x5A)配置后的狀態(tài)查詢過(guò)程時(shí)序，先發(fā)送指令0x00，再做1字節(jié)數(shù)據(jù)接收。

圖5 空質(zhì)傳感器的1字節(jié)狀態(tài)指令讀取時(shí)序圖Dig.5 1 Byte State-Receiving Timing Diagram for Air-Sensor

圖6 是示波器捕捉的溫濕度傳感器CTH21(從地址0x40)的溫度讀取時(shí)序，發(fā)送指令0xE3后做3字節(jié)數(shù)據(jù)接收。

圖6 溫濕度傳感器的3字節(jié)數(shù)據(jù)讀取時(shí)序Dig.6 3 Bytes Data-Receiving Timing Diagram for Temperature-Humidity-Sensor

圖7 是示波器捕捉的CTH21測(cè)量的電池供電時(shí)序狀況，發(fā)送指令0xE7后做1字節(jié)數(shù)據(jù)接收。

結(jié)合圖5～7和程序仿真跟蹤，可以看出設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，很好實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)的收發(fā)，無(wú)論單個(gè)數(shù)據(jù)還是多個(gè)數(shù)據(jù)讀寫。之后，運(yùn)用到空質(zhì)測(cè)控終端，從數(shù)個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行的結(jié)果看，新設(shè)計(jì)的片內(nèi)IIC驅(qū)動(dòng)，非常給力的。

圖7 電池供電傳感器的1字節(jié)數(shù)據(jù)讀取時(shí)序Dig.1 1 Byte State-Receiving Timing Diagram for Bettery-Sensor

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)深入的查閱分析思考和反復(fù)的測(cè)量鑒定與跟蹤仿真，找準(zhǔn)了片內(nèi)IIC接口驅(qū)動(dòng)程序合適的操控點(diǎn)并及時(shí)發(fā)出了操控指令，在借鑒GPIO模擬操控的基礎(chǔ)上，終于實(shí)現(xiàn)了STM-MCU-IIC硬件接口全面可靠高效的驅(qū)動(dòng)，既提升了功能和性能，還充分簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。仔細(xì)觀察IIC接收時(shí)序，無(wú)論單字節(jié)接收或多字節(jié)接收，無(wú)意中在最后都多發(fā)了一個(gè)字節(jié)的操作時(shí)鐘，這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入了接收寄存器，只是沒(méi)有理會(huì)它罷了，是“得意”中的“敗筆”，有待徹底去除，以求“完美”。