2020年01月21日 | 关于MSP硬件I2C讲解

0.前言

对于大多数单片机来说，I2C成了一个老大难问题。从51时代开始，软件模拟I2C成了主流，甚至到ARMCortex M3大行其道的今天，软件模拟I2C依然是使用最广的方法。虽然软件模拟可以解决所有的问题，但是总感觉没有充分发挥MCU内部的硬件资源。查阅了所有关于MSP430F5系列的图书，没有关于硬件I2C的应用代码，自己通过调试摸索，把经验总结之后和大家分享，希望大家喜欢。同时，I2C的使用可以分为等待法和中断法，从理解的角度来说等待法思路清晰易于上手，从功耗的角度出发，中断法可以灵活的进入低功耗模式，但是不易理解。本文先从等待法入手。

MSP430F5系列的硬件I2C使用大致会有以下问题：

【I2C地址设定】一般情况下I2C的7位地址被写成了8位长度，最低位无效。例如AT24C02的I2C地址为0xA0，其实真正的7位地址为0x50。而MSP430正是需要填入这7位地址0x50。

【I2C停止位发送】在I2C读操作过程中，读取最后一个字节之后MCU应向从机发送无应答，MSP430F5系列的MCU发送无应答的操作将自动完成，这就以为在读取最后一个字节内容时，应先操作停止位相关寄存器。

【 I2C起始位发送】如果仔细分析MSP430F5参考手册，将会发现读操作和写操作发送I2C起始位时略有不同。写操作时需要先向TXBUF中写入数据，之后才可以等待TXSTT标志位变为0，而读操作和写操作稍有不同。

【AT24C02操作时序图】

1.初始化设置

1.1代码实现 

void ucb0_config(void)  

{  

  P3SEL &= ~BIT2;                        // P3.2@UCB0SCL  

  P3DIR |= BIT2;  

  P3OUT |= BIT2;  

  // 输出9个时钟以恢复I2C总线状态  

  for( uint8_t i= 0; i <9 ; i++)  

  {  

    P3OUT |= BIT2;  

    __delay_cycles(8000);  

    P3OUT &= ~BIT2;  

    __delay_cycles(8000);  

  }  

  P3SEL |= (BIT1 + BIT2);                // P3.1@UCB0SDAP3.2@UCB0SCL  

  // P3.1@ISP.1 P3.2@ISP.5  

  UCB0CTL1 |= UCSWRST;  

  UCB0CTL0 = UCMST+ UCMODE_3 + UCSYNC;  // I2C主机模式  

  UCB0CTL1 |= UCSSEL_2;                  // 选择SMCLK  

  UCB0BR0 = 40;  

  UCB0BR1 = 0;  

  UCB0CTL0 &= ~UCSLA10;                  // 7位地址模式  

  UCB0I2CSA = EEPROM_ADDRESS;           // EEPROM地址  

  UCB0CTL1 &= ~UCSWRST;  

}  

1.2代码分析

I2C从设备的地址一般有以下通俗说法——7位地址，写地址（写控制字）和读地址（读控制字）。1个I2C通信的控制字节（I2C启动之后传送的第一个字节）由7位I2C地址和1位读写标志位组成，7位I2C地址即7位地址，若读写标志位为读标志（读写标志位置位）加上7位I2C地址便组成了读地址（读控制字），若读写标志位为写标志（读写标志位清零）加上7位地址便组成了写地址（写控制字）。例如AT24C02的I2C7位地址为0x50，读地址（读控制字）为0xA1，写地址（写控制字）为0xA1。

在MSP430F5系列中，I2CSA地址寄存器应写入7位地址，参照上面的例子应写入0X50。至于I2C读写位的控制由CTL1寄存器完成，用户无需干预。

在I2C设置开始之前，可以先通过SCL端口发送9个时钟信号，该时钟信号可以是I2C从机芯片从一种错误的通信状态恢复，虽然这9个时钟信号不起眼但是对于调试过程来说非常有用。例如在调试过程中，错误的发送了停止位，若再次启动调试则I2C从设备仍处于一种错误的状态，这9个时钟信号可以把I2C从设备从错误的状态“拉”回来。

2.写单个字节

向I2C从设备写入单个字节应该是最为简单的一个操作，因为所有的控制权都在主机手中。写单个字节实际包括了2个重要部分，一个便是写寄存器地址，另一个便是写寄存器内容。对于AT24C02而言，存储内容的字节长度为一个字节，而对于容量更大的EEPROM而言，存储地址可为两个字节。

2.1 代码实现

uint8_teeprom_writebyte( uint8_t word_addr, uint8_tword_value )  

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 写模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 发送字节地址  

  // 等待UCTXIFG=1与UCTXSTT=0 同时变化等待一个标志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若无应答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  UCB0TXBUF = word_value;          // 发送字节内容  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG));     // 等待UCTXIFG=1  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTP);       // 等待发送完成  

  return 0;  

}  

2.2 代码分析

关于代码出口的说明，关于I2C的读写函数，若返回值为0说明所有的操作正常，若返回值为非0说明操作有误，例如1代表从机无应答。这种组合方式可能与各位的编程习惯有出入，一般认为返回1表示操作成功，而返回0表示操作失败。这种方式的问题便是无法有效的表达错误原因，因为“0”只有一个，而非“0”却有很多。

写单个字节可以划分为——从机写地址发送、寄存器地址发送、寄存器内容发送。寄存器地址的发送由MSP430自动完成，这和软件模拟的操作有所区别。请勿发送I2C从机地址，若操作AT24C02发送需要写入的存储字节的首地址即可。

在单字节和多字节写操作过程中，尤其要注意UCTXSTT标志位的变化位置。UCTXSTT标志位会在从机接收完写控制字节或读控制字节之后变化，但是在写控制字节发送之后，必须先填充TXBUF，再尝试等待STT标志位复位，此时STT标志位和TXIFG标志位会同时变化。若从机没有应答，那么NACK标志位也会发生变化。再次强调需要先填充TXBUF，在等待STT标志位复位。以下代码将导致程序一直停留在while(UCB0IFG & UCTXSTT)处，具体的原因可查看MSP430参考手册。

while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

UCB0CTL1 |= UCTR;                // 写模式  

UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位  

// 等待UCTXSTT=0同时变化,但是很遗憾该变化不会发送  

while(UCB0IFG& UCTXSTT);  

UCB0TXBUF = word_addr;           // 发送字节地址  

3.写多个字节

3.1代码实现

uint8_teeprom_writepage( uint8_t word_addr, uint8_t *pword_buf, uint8_t len)  

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 写模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 发送字节地址  

  // 等待UCTXIFG=1与UCTXSTT=0 同时变化等待一个标志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若无应答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  for( uint8_t i= 0; i < len; i++)  

  {  

    UCB0TXBUF = *pword_buf++;      // 发送寄存器内容  

    while(!(UCB0IFG& UCTXIFG));   // 等待UCTXIFG=1     

  }  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTP);       // 等待发送完成  

  return 0;  

}  

3.2 代码分析

多字节写函数和单字节写函数相似，不做过多的解释。

4.读单个字节

单字节读函数是4中读写函数中最为复杂的，复杂的原因在于读最后一个字节之前就需要操作UCTXSTP标志位。

4.1 代码实现

uint8_teeprom_readbyte( uint8_t word_addr, uint8_t *pword_value)  

{  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 写模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位和写控制字节  

  UCB0TXBUF = word_addr;            //发送字节地址，必须要先填充TXBUF  

  // 等待UCTXIFG=1与UCTXSTT=0 同时变化等待一个标志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若无应答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }                         

  UCB0CTL1 &= ~UCTR;                //读模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位和读控制字节  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTT);       // 等待UCTXSTT=0  

  // 若无应答 UCNACKIFG = 1  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 先发送停止位  

  while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));     // 读取字节内容  

  *pword_value = UCB0RXBUF;        // 读取BUF寄存器在发送停止位之后  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  return 0;  

}  

4.2代码分析

这段代码给人一个错觉，MSP430先发送了停止位，然后再读取了一个字节内容。其实实际情况并不是这样的。I2C读操作时，主机读取最后一个字节内容之后，应向从机发送无应答NACK（无应答区别于应答），之后主机发送停止位。MSP430为了完成这一组合动作，要求用户提前操作UCTXSTP标志位，在读取RXBUF之后做出发送NACK和I2C停止位的“组合动作”。

while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));  

*pword_value = UCB0RXBUF;        // 读取BUF寄存器在发送停止位之后  

UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 发送停止位  

以上代码可能导致后续的I2C操作无法进行。

5.读多个字节

5.1代码实现  

uint8_t eeprom_readpage(uint8_t word_addr, uint8_t *pword_buf, uint8_t len )  

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 写模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位和写控制字节  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 发送字节地址  

  // 等待UCTXIFG=1与UCTXSTT=0 同时变化等待一个标志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若无应答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  UCB0CTL1 &= ~UCTR;               // 读模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 发送启动位和读控制字节  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTT);       // 等待UCTXSTT=0  

  // 若无应答 UCNACKIFG = 1  

  for( uint8_t i= 0; i< len -1 ; i++)  

  {  

    while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));   // 读取字节内容，不包括最后一个字节内容  

    *pword_buf++= UCB0RXBUF;  

  }  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 在接收最后一个字节之前发送停止位  

  while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));     // 读取最后一个字节内容  

  *pword_buf = UCB0RXBUF;  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  return 0;  

}  

5.2代码分析

读单个字节和写单个字节相似。唯一需要注意的是，写操作需要先填充TXBUF，而读操作不存在这个问题。试想一下，I2C写操作时必定会向I2C从机写入一个字节内容，所以先填充TXBUF也是合情合理的事情，填充TXBUF之后MSP430会进行一连串的动作——发送I2C起始位、I2C读控制器和写入从机的第一个字节。

6 单元测试

单元测试分为两个部分。单字节写函数和单字节读函数分为一组，先使用单字节邪恶函数向某地址写入某内容，在使用单字节读函数读出某内容，如果写入的参数和读出的内容相同，则测试通过。多字节写函数和多字节度函数分为一组，测试过程相似，不同的是写入的内容从一个变为了连续8个。请注意AT24C02的页大小为8，若从页首地址开始，最大的写字节个数为8。