關(guān)于MSP硬件I2C講解

作者：時間：2016-11-21 來源：網(wǎng)絡(luò)

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0.前言

對于大多數(shù)單片機(jī)來說，I2C成了一個老大難問題。從51時代開始，軟件模擬I2C成了主流，甚至到ARMCortex M3大行其道的今天，軟件模擬I2C依然是使用最廣的方法。雖然軟件模擬可以解決所有的問題，但是總感覺沒有充分發(fā)揮MCU內(nèi)部的硬件資源。查閱了所有關(guān)于MSP430F5系列的圖書，沒有關(guān)于硬件I2C的應(yīng)用代碼，自己通過調(diào)試摸索，把經(jīng)驗總結(jié)之后和大家分享，希望大家喜歡。同時，I2C的使用可以分為等待法和中斷法，從理解的角度來說等待法思路清晰易于上手，從功耗的角度出發(fā)，中斷法可以靈活的進(jìn)入低功耗模式，但是不易理解。本文先從等待法入手。

本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/201611/319192.htm

MSP430F5系列的硬件I2C使用大致會有以下問題：

【I2C地址設(shè)定】一般情況下I2C的7位地址被寫成了8位長度，最低位無效。例如AT24C02的I2C地址為0xA0，其實真正的7位地址為0x50。而MSP430正是需要填入這7位地址0x50。

【I2C停止位發(fā)送】在I2C讀操作過程中，讀取最后一個字節(jié)之后MCU應(yīng)向從機(jī)發(fā)送無應(yīng)答，MSP430F5系列的MCU發(fā)送無應(yīng)答的操作將自動完成，這就以為在讀取最后一個字節(jié)內(nèi)容時，應(yīng)先操作停止位相關(guān)寄存器。

【I2C起始位發(fā)送】如果仔細(xì)分析MSP430F5參考手冊，將會發(fā)現(xiàn)讀操作和寫操作發(fā)送I2C起始位時略有不同。寫操作時需要先向TXBUF中寫入數(shù)據(jù)，之后才可以等待TXSTT標(biāo)志位變?yōu)?，而讀操作和寫操作稍有不同。

【AT24C02操作時序圖】

1.初始化設(shè)置

1.1代碼實現(xiàn)

voiducb0_config(void)
{
P3SEL&=~BIT2;//P3.2@UCB0SCL
P3DIR|=BIT2;
P3OUT|=BIT2;
//輸出9個時鐘以恢復(fù)I2C總線狀態(tài)
for(uint8_ti=0;i<9;i++)
{
P3OUT|=BIT2;
__delay_cycles(8000);
P3OUT&=~BIT2;
__delay_cycles(8000);
}
P3SEL|=(BIT1+BIT2);//[email protected]@UCB0SCL
//[email protected]@ISP.5
UCB0CTL1|=UCSWRST;
UCB0CTL0=UCMST+UCMODE_3+UCSYNC;//I2C主機(jī)模式
UCB0CTL1|=UCSSEL_2;//選擇SMCLK
UCB0BR0=40;
UCB0BR1=0;
UCB0CTL0&=~UCSLA10;//7位地址模式
UCB0I2CSA=EEPROM_ADDRESS;//EEPROM地址
UCB0CTL1&=~UCSWRST;
}

1.2代碼分析

I2C從設(shè)備的地址一般有以下通俗說法——7位地址，寫地址（寫控制字）和讀地址（讀控制字）。1個I2C通信的控制字節(jié)（I2C啟動之后傳送的第一個字節(jié)）由7位I2C地址和1位讀寫標(biāo)志位組成，7位I2C地址即7位地址，若讀寫標(biāo)志位為讀標(biāo)志（讀寫標(biāo)志位置位）加上7位I2C地址便組成了讀地址（讀控制字），若讀寫標(biāo)志位為寫標(biāo)志（讀寫標(biāo)志位清零）加上7位地址便組成了寫地址（寫控制字）。例如AT24C02的I2C7位地址為0x50，讀地址（讀控制字）為0xA1，寫地址（寫控制字）為0xA1。

在MSP430F5系列中，I2CSA地址寄存器應(yīng)寫入7位地址，參照上面的例子應(yīng)寫入0X50。至于I2C讀寫位的控制由CTL1寄存器完成，用戶無需干預(yù)。

在I2C設(shè)置開始之前，可以先通過SCL端口發(fā)送9個時鐘信號，該時鐘信號可以是I2C從機(jī)芯片從一種錯誤的通信狀態(tài)恢復(fù)，雖然這9個時鐘信號不起眼但是對于調(diào)試過程來說非常有用。例如在調(diào)試過程中，錯誤的發(fā)送了停止位，若再次啟動調(diào)試則I2C從設(shè)備仍處于一種錯誤的狀態(tài)，這9個時鐘信號可以把I2C從設(shè)備從錯誤的狀態(tài)“拉”回來。

2.寫單個字節(jié)

向I2C從設(shè)備寫入單個字節(jié)應(yīng)該是最為簡單的一個操作，因為所有的控制權(quán)都在主機(jī)手中。寫單個字節(jié)實際包括了2個重要部分，一個便是寫寄存器地址，另一個便是寫寄存器內(nèi)容。對于AT24C02而言，存儲內(nèi)容的字節(jié)長度為一個字節(jié)，而對于容量更大的EEPROM而言，存儲地址可為兩個字節(jié)。

2.1 代碼實現(xiàn)

uint8_teeprom_writebyte(uint8_tword_addr,uint8_tword_value)
{
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
UCB0CTL1|=UCTR;//寫模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位
UCB0TXBUF=word_addr;//發(fā)送字節(jié)地址
//等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0同時變化等待一個標(biāo)志位即可
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG))
{
if(UCB0IFG&UCNACKIFG)//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
{
return1;
}
}
UCB0TXBUF=word_value;//發(fā)送字節(jié)內(nèi)容
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG));//等待UCTXIFG=1
UCB0CTL1|=UCTXSTP;
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);//等待發(fā)送完成
return0;
}

2.2 代碼分析

關(guān)于代碼出口的說明，關(guān)于I2C的讀寫函數(shù)，若返回值為0說明所有的操作正常，若返回值為非0說明操作有誤，例如1代表從機(jī)無應(yīng)答。這種組合方式可能與各位的編程習(xí)慣有出入，一般認(rèn)為返回1表示操作成功，而返回0表示操作失敗。這種方式的問題便是無法有效的表達(dá)錯誤原因，因為“0”只有一個，而非“0”卻有很多。

寫單個字節(jié)可以劃分為——從機(jī)寫地址發(fā)送、寄存器地址發(fā)送、寄存器內(nèi)容發(fā)送。寄存器地址的發(fā)送由MSP430自動完成，這和軟件模擬的操作有所區(qū)別。請勿發(fā)送I2C從機(jī)地址，若操作AT24C02發(fā)送需要寫入的存儲字節(jié)的首地址即可。

在單字節(jié)和多字節(jié)寫操作過程中，尤其要注意UCTXSTT標(biāo)志位的變化位置。UCTXSTT標(biāo)志位會在從機(jī)接收完寫控制字節(jié)或讀控制字節(jié)之后變化，但是在寫控制字節(jié)發(fā)送之后，必須先填充TXBUF，再嘗試等待STT標(biāo)志位復(fù)位，此時STT標(biāo)志位和TXIFG標(biāo)志位會同時變化。若從機(jī)沒有應(yīng)答，那么NACK標(biāo)志位也會發(fā)生變化。再次強(qiáng)調(diào)需要先填充TXBUF，在等待STT標(biāo)志位復(fù)位。以下代碼將導(dǎo)致程序一直停留在while(UCB0IFG & UCTXSTT)處，具體的原因可查看MSP430參考手冊。

while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
UCB0CTL1|=UCTR;//寫模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位
//等待UCTXSTT=0同時變化,但是很遺憾該變化不會發(fā)送
while(UCB0IFG&UCTXSTT);
UCB0TXBUF=word_addr;//發(fā)送字節(jié)地址

3.寫多個字節(jié)

3.1代碼實現(xiàn)

uint8_teeprom_writepage(uint8_tword_addr,uint8_t*pword_buf,uint8_tlen)
{
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
UCB0CTL1|=UCTR;//寫模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位
UCB0TXBUF=word_addr;//發(fā)送字節(jié)地址
//等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0同時變化等待一個標(biāo)志位即可
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG))
{
if(UCB0IFG&UCNACKIFG)//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
{
return1;
}
}
for(uint8_ti=0;i
{
UCB0TXBUF=*pword_buf++;//發(fā)送寄存器內(nèi)容
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG));//等待UCTXIFG=1
}
UCB0CTL1|=UCTXSTP;
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);//等待發(fā)送完成
return0;
}

3.2 代碼分析

多字節(jié)寫函數(shù)和單字節(jié)寫函數(shù)相似，不做過多的解釋。

4.讀單個字節(jié)

單字節(jié)讀函數(shù)是4中讀寫函數(shù)中最為復(fù)雜的，復(fù)雜的原因在于讀最后一個字節(jié)之前就需要操作UCTXSTP標(biāo)志位。

4.1 代碼實現(xiàn)

uint8_teeprom_readbyte(uint8_tword_addr,uint8_t*pword_value)
{
UCB0CTL1|=UCTR;//寫模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位和寫控制字節(jié)
UCB0TXBUF=word_addr;//發(fā)送字節(jié)地址，必須要先填充TXBUF
//等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0同時變化等待一個標(biāo)志位即可
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG))
{
if(UCB0IFG&UCNACKIFG)//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
{
return1;
}
}
UCB0CTL1&=~UCTR;//讀模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位和讀控制字節(jié)
while(UCB0CTL1&UCTXSTT);//等待UCTXSTT=0
//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
UCB0CTL1|=UCTXSTP;//先發(fā)送停止位
while(!(UCB0IFG&UCRXIFG));//讀取字節(jié)內(nèi)容
*pword_value=UCB0RXBUF;//讀取BUF寄存器在發(fā)送停止位之后
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
return0;
}

4.2代碼分析

這段代碼給人一個錯覺，MSP430先發(fā)送了停止位，然后再讀取了一個字節(jié)內(nèi)容。其實實際情況并不是這樣的。I2C讀操作時，主機(jī)讀取最后一個字節(jié)內(nèi)容之后，應(yīng)向從機(jī)發(fā)送無應(yīng)答NACK（無應(yīng)答區(qū)別于應(yīng)答），之后主機(jī)發(fā)送停止位。MSP430為了完成這一組合動作，要求用戶提前操作UCTXSTP標(biāo)志位，在讀取RXBUF之后做出發(fā)送NACK和I2C停止位的“組合動作”。

while(!(UCB0IFG&UCRXIFG));
*pword_value=UCB0RXBUF;//讀取BUF寄存器在發(fā)送停止位之后
UCB0CTL1|=UCTXSTP;//發(fā)送停止位

以上代碼可能導(dǎo)致后續(xù)的I2C操作無法進(jìn)行。

5.讀多個字節(jié)

5.1代碼實現(xiàn)

uint8_teeprom_readpage(uint8_tword_addr,uint8_t*pword_buf,uint8_tlen)
{
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
UCB0CTL1|=UCTR;//寫模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位和寫控制字節(jié)
UCB0TXBUF=word_addr;//發(fā)送字節(jié)地址
//等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0同時變化等待一個標(biāo)志位即可
while(!(UCB0IFG&UCTXIFG))
{
if(UCB0IFG&UCNACKIFG)//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
{
return1;
}
}
UCB0CTL1&=~UCTR;//讀模式
UCB0CTL1|=UCTXSTT;//發(fā)送啟動位和讀控制字節(jié)
while(UCB0CTL1&UCTXSTT);//等待UCTXSTT=0
//若無應(yīng)答UCNACKIFG=1
for(uint8_ti=0;i
{
while(!(UCB0IFG&UCRXIFG));//讀取字節(jié)內(nèi)容，不包括最后一個字節(jié)內(nèi)容
*pword_buf++=UCB0RXBUF;
}
UCB0CTL1|=UCTXSTP;//在接收最后一個字節(jié)之前發(fā)送停止位
while(!(UCB0IFG&UCRXIFG));//讀取最后一個字節(jié)內(nèi)容
*pword_buf=UCB0RXBUF;
while(UCB0CTL1&UCTXSTP);
return0;
}

5.2代碼分析

讀單個字節(jié)和寫單個字節(jié)相似。唯一需要注意的是，寫操作需要先填充TXBUF，而讀操作不存在這個問題。試想一下，I2C寫操作時必定會向I2C從機(jī)寫入一個字節(jié)內(nèi)容，所以先填充TXBUF也是合情合理的事情，填充TXBUF之后MSP430會進(jìn)行一連串的動作——發(fā)送I2C起始位、I2C讀控制器和寫入從機(jī)的第一個字節(jié)。

6 單元測試

單元測試分為兩個部分。單字節(jié)寫函數(shù)和單字節(jié)讀函數(shù)分為一組，先使用單字節(jié)邪惡函數(shù)向某地址寫入某內(nèi)容，在使用單字節(jié)讀函數(shù)讀出某內(nèi)容，如果寫入的參數(shù)和讀出的內(nèi)容相同，則測試通過。多字節(jié)寫函數(shù)和多字節(jié)度函數(shù)分為一組，測試過程相似，不同的是寫入的內(nèi)容從一個變?yōu)榱诉B續(xù)8個。請注意AT24C02的頁大小為8，若從頁首地址開始，最大的寫字節(jié)個數(shù)為8。

另外，EEPROM寫操作之后需要有10ms的延時，否則將無法進(jìn)行寫操作和讀操作。具體請查看AT24C02數(shù)據(jù)手冊。

6.1 測試代碼

voideeprom_config()
{
#ifDEBUF_EEPROM_I2C
uint8_ttest_byte1=0x0B;
uint8_ttest_byte2=0x01;
/*
step1向地址0x00寫入某個值，例如0x0B
然后讀出地址0x00結(jié)果，判斷該值是否為0x0B
*/
eeprom_writebyte(0x00,test_byte1);
delay_ms(10);
eeprom_readbyte(0x00,&test_byte2);
assert_param(test_byte1==test_byte2);
if(test_byte1==test_byte2)
{
printf("ByteReadandByteWriteTestPassrn");
}
/*
step2以地址0x08作為起始地址，連續(xù)寫入8個字節(jié)數(shù)據(jù)
再連續(xù)從該起始地址讀取8字節(jié)內(nèi)容，比較寫入和讀出字節(jié)內(nèi)容
成功的條件為寫入和讀取字節(jié)內(nèi)容相同
*/
uint8_ttest_buf1[8]={1,2,3,4,5,6,7,8};
uint8_ttest_buf2[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};
eeprom_writepage(0x08,test_buf1,8);
delay_ms(10);
eeprom_readpage(0x08,test_buf2,8);
assert_param(memcmp(test_buf1,test_buf2,8)==0);
if(!memcmp(test_buf1,test_buf2,8))
{
printf("PageReadandPageWriteTestPass!rn");
}
#endif
}

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