普冉（PUYA）单片机开发笔记(11): I2C通信-配置主从收发

概述

在上一篇《普冉（PUYA）单片机开发笔记(10): I2C通信-配置从机-CSDN博客》配置了 PY32F003 的 I2C 从机一侧，今天配置主机，并实现主-从机之间的报文收发。

为了完成这个实验，需要两块 PY32F003F18P 的开发板，连接线路如下表所示。注意主从机必须共地，要专门拉一根杜邦线把两块开发板的 GND 连接好。

I2C 主从通信的管脚连接

开发板	主机	从机	备注
3V3	连接	连接	同一个电源
GND	连接	连接	主从机必须共地
UART2_TX	PA1	PA1	接到上位机 USB-TTL 模块
UART2_RX	PA0	PA0	接到上位机 USB-TTL 模块
I2C_SCL	PA3	PA3	主从用杜邦线连接
I2C_SDA	PA2	PA2	主从用杜邦线连接

连接好以后，在上位机开两个 XCOM 的窗口，各自连接主机和从机的串口，以便观察运行结果。就像附后“实验结果”中的截图，上位机的 COM3 接从机的串口，COM32 接主机的串口。

代码实现步骤

老套路，main.h 中定义函数原型，app_i2c.c 中实现这些函数，py32_f0xx_hal_msp.c 中对I2C 用到的管脚进行初始化，对用到的中断和 DMA 进行初始化；py32_f0xx_it.c 中重定向 I2C_IRQHandler。上干货 ;)

1. 在 main.h 中定义四个函数原型

#define I2C_COMM_TEST   1
#define I2C_SLAVE       0

...
...

#if(I2C_COMM_TEST)
/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void);
* @brief  : i2c 初始化
* @param  : 
* @retval : HAL_OK: 写入成功; 其它: 错误
* @remark : 上级函数必须检查操作返回值, 只有 HAL_OK 时才可继续操作
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void);

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @brief  : i2c 测试使用的三个函数, 接收/发送/等待
* @param  : 
* @retval : 
* @remark : 
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
#if(I2C_SLAVE)
HAL_StatusTypeDef app_i2c_slave_receive(void);
HAL_StatusTypeDef app_i2c_slave_transmit(void);
#else
HAL_StatusTypeDef app_i2c_master_receive(void);
HAL_StatusTypeDef app_i2c_master_transmit(void);
#endif

void app_i2c_wait(void);

#endif

其中，为了在同一个工程中容纳主从两部分的代码，预定了 I2C_COMM_TEST 和 I2C_SLAVE，如果 I2C_SLAVE 为 1 表示定义的是从机的函数，如果 I2C_SLAVE 为 0 表示定义的是主机的函数。

在 PY32F003 上，主机和从机的初始化函数都取一样的函数名；动作函数 app_i2c_wait() 函数也使用一样的函数名。需要区分的是 app_i2c_slave/master_tx/rx 函数，因此分主机和从机定义了两组。

2. 在 app_i2c.c 中实现这些代码

/**
 ******************************************************************************
 * @file    app_i2c.c
 * @brief   I2C functions.
 ******************************************************************************
 * @copyright
 *
 * Copyright (c) 2023 CuteModem Intelligence.
 * All rights reserved.
 *
 * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
 * in the root directory of this software component.
 * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
 *
 ******************************************************************************
 */
 
#include "main.h"

#define EXDATA_LEN    15                 // 数据长度
#define I2C_ADDRESS   0xA0               // 本机地址0xA0
#define I2C_SPEEDBPS  100000             // 通讯速度100K
#define I2C_DUTYCYCLE I2C_DUTYCYCLE_16_9 // 占空比

I2C_HandleTypeDef I2cHandle;
#if(I2C_SLAVE)
uint8_t mI2cTxBuf[EXDATA_LEN] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15};
#else
uint8_t mI2cTxBuf[EXDATA_LEN] = {16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30};
#endif
uint8_t mI2cRxBuf[EXDATA_LEN] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0};

HAL_StatusTypeDef app_i2c_init(void)
{
    HAL_StatusTypeDef cfg_res = HAL_OK;
    
    I2cHandle.Instance             = I2C;                     // I2C
    I2cHandle.Init.ClockSpeed      = I2C_SPEEDBPS;            // I2C 通讯速度
    I2cHandle.Init.DutyCycle       = I2C_DUTYCYCLE;           // I2C 占空比
    I2cHandle.Init.OwnAddress1     = I2C_ADDRESS;             // I2C 地址
    I2cHandle.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 禁止广播呼叫
    I2cHandle.Init.NoStretchMode   = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;   // 允许时钟延长
    cfg_res = HAL_I2C_Init(&I2cHandle);                       // I2C初始化
    if (cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
    return cfg_res;
}

void app_i2c_wait(void)
{
    /* 判断当前I2C状态, 等待I2C状态就绪 */
    while (HAL_I2C_GetState(&I2cHandle) != HAL_I2C_STATE_READY){}
}

#if(I2C_SLAVE)
HAL_StatusTypeDef app_i2c_slave_receive(void)
{
    /*I2C从机中断方式接收*/
    while (HAL_I2C_Slave_Receive_IT(&I2cHandle, (uint8_t *)mI2cRxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
        Error_Handler();
   
    return HAL_OK;
}
    
HAL_StatusTypeDef app_i2c_slave_transmit(void)
{
    /*I2C从机中断方式发送*/
    while (HAL_I2C_Slave_Transmit_IT(&I2cHandle, (uint8_t *)mI2cTxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
        Error_Handler();

    return HAL_OK;
}

void HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    uint8_t i = 0;
    
    if(hi2c->Instance != I2C) return;

    printf("Slave received via I2C: %d bytes\r\n", EXDATA_LEN);
    for(i = 0; i < EXDATA_LEN; i++) printf("%02d ", mI2cRxBuf[i]);
    printf("\r\n");
    
    return;
}

void HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    uint8_t i = 0;
    
    if(hi2c->Instance != I2C) return;

    printf("Slave data sent via I2C: %d bytes\r\n", EXDATA_LEN);
    for(i = 0; i < EXDATA_LEN; i++) printf("%02d ", mI2cTxBuf[i]);
    printf("\r\n");
    
    return;
}

#else

HAL_StatusTypeDef app_i2c_master_receive(void)
{
    /*I2C 主机以中断方式接收*/
    while (HAL_I2C_Master_Receive_IT(&I2cHandle, I2C_ADDRESS, (uint8_t *)mI2cRxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
        Error_Handler();
    app_i2c_wait();
    return HAL_OK;
}
    
HAL_StatusTypeDef app_i2c_master_transmit(void)
{
    /*I2C 主机以中断方式发送*/
    while (HAL_I2C_Master_Transmit_IT(&I2cHandle, I2C_ADDRESS, (uint8_t *)mI2cTxBuf, EXDATA_LEN) != HAL_OK)
        Error_Handler();
    app_i2c_wait();
    return HAL_OK;
}

void HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    uint8_t i = 0;
    
    if(hi2c->Instance != I2C) return;

    printf("Master received via I2C: %d bytes\r\n", EXDATA_LEN);
    for(i = 0; i < EXDATA_LEN; i++) printf("%02d ", mI2cRxBuf[i]);
    printf("\r\n");
    
    return;
}

void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    uint8_t i = 0;
    
    if(hi2c->Instance != I2C) return;

    printf("Master data sent via I2C: %d bytes\r\n", EXDATA_LEN);
    for(i = 0; i < EXDATA_LEN; i++) printf("%02d ", mI2cTxBuf[i]);
    printf("\r\n");
    
    return;
}

#endif

有一部分代码已经在从机配置中实现了，做主机时使用 I2C_SLAVE 开关把主从两部分的数据做一个区分。

• 从机的发送缓冲区填充 1~15；主机的发送缓冲区填充 16~30，以示区别。
• app_i2c_init() 函数和 app_i2c_wait() 函数主从机共用。
• 根据 I2C_SLAVE 开关分别实现主/从机的发送（Transmit）、接收（Receive）、发送中断服务回调函数（TxCpltCallback）和接收中断服务回调函数（RxCpltCallback）这四对函数。
• I2C 主从收发函数结构相似，注意 HAL_I2C_Master_Transmit_IT() 函数比 HAL_I2C_Slave_Transmit_IT() 函数多了一个参数：I2C_Address。HAL_I2C_Master_Receive_IT() 函数比 HAL_I2C_Receive_IT() 函数也多了这个参数。这个参数用于区分 I2C 从机，以便在 RxCpltCallback 函数中处理。区分的 I2C 从机的参数在 hi2c 指针中，在 RxCpltCallback 中读取 hi2c->Devaddress 的值可区分数据是来自哪一个从机。

3. py32_f0xx_hal_msp.c 中分配管脚和DMA，并进行初始化

#include "main.h"

static DMA_HandleTypeDef HdmaCh1;
static DMA_HandleTypeDef HdmaCh2;

...
...

#if(I2C_COMM_TEST)
/**
 * -----------------------------------------------------------------------
 * @name   : void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
 * @brief  : 初始化I2C相关MSP
 * @param  : [in] *hi2c, I2C handler pointer
 * @retval : void
 * @remark :
 * -----------------------------------------------------------------------
*/
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE(); //SYSCFG时钟使能
    __HAL_RCC_DMA_CLK_ENABLE();    //DMA时钟使能
    __HAL_RCC_I2C_CLK_ENABLE();    //I2C时钟使能
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  //GPIOA时钟使能

    /**I2C GPIO Configuration
    PA3 : I2C1_SCL
    PA2 : I2C1_SDA
    */
    GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_OD;           // 推挽方式
    GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;               // 上拉
    GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_I2C;             // 复用为I2C
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);                // GPIO初始化
    
    __HAL_RCC_I2C_FORCE_RESET();   // 复位I2C  
    __HAL_RCC_I2C_RELEASE_RESET();

    /* I2C1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(I2C1_IRQn, 0, 0); // 中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(I2C1_IRQn);         // 使能I2C中断

    //DMA配置
    HAL_SYSCFG_DMA_Req(9);     //DMA1_CH1 MAP选择为 IIC_TX
    HAL_SYSCFG_DMA_Req(0xA00); //DMA1_CH2 MAP选择为 IIC_RX

    /* Configure the DMA handler for Transmission process */
    HdmaCh1.Instance                 = DMA1_Channel1;          // 选择DMA通道1
    HdmaCh1.Init.Direction           = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;   // 方向为从存储器到外设
    HdmaCh1.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE;       // 禁止外设地址增量
    HdmaCh1.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;        // 使能存储器地址增量
    HdmaCh1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;    // 外设数据宽度为8位
    HdmaCh1.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    // 存储器数据宽度位8位
    HdmaCh1.Init.Mode                = DMA_NORMAL;             // 禁止循环模式
    HdmaCh1.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_VERY_HIGH; // 通道优先级为"很高"
    HAL_DMA_Init(&HdmaCh1);                                    // 初始化DMA通道1
    __HAL_LINKDMA(hi2c, hdmatx, HdmaCh1);                      // DMA1 关联 IIC_TX

    /* Configure the DMA handler for Receiving process */
    HdmaCh2.Instance                 = DMA1_Channel2;          // 选择DMA通道1
    HdmaCh2.Init.Direction           = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;   // 方向为从外设到存储
    HdmaCh2.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE;       // 禁止外设地址增量
    HdmaCh2.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;        // 使能存储器地址增量
    HdmaCh2.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;    // 外设数据宽度为8位
    HdmaCh2.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    // 存储器数据宽度位8位
    HdmaCh2.Init.Mode                = DMA_NORMAL;             // 禁止循环模式
    HdmaCh2.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_HIGH;      // 通道优先级为高
    HAL_DMA_Init(&HdmaCh2);                                    // 初始化DMA通道1
    __HAL_LINKDMA(hi2c, hdmarx, HdmaCh2);                      // DMA1 关联 IIC_RX

    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn, 1, 1);            // 中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);                    // 使能DMA通道1中断
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel2_3_IRQn, 0, 1);          // 中断优先级设置
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel2_3_IRQn);                  // 使能DMA通道2_3中断
}
#endif

主从机的这部分代码相同，请参考我的上一篇《普冉（PUYA）单片机开发笔记(10): I2C通信-配置从机-CSDN博客》中的说明，这里不再重复。

4. 重定向 I2C_IRQHandler

#include "main.h"
#include "py32f0xx_it.h"

...
...

#if(I2C_COMM_TEST)
extern I2C_HandleTypeDef I2cHandle; // Defined in app_i2c.c
#endif

...
...

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
#if(ADC_SAMPLE_TEST)
    HAL_DMA_IRQHandler(hadcdma.DMA_Handle);
#endif

#if(I2C_COMM_TEST)
    HAL_DMA_IRQHandler(I2cHandle.hdmatx);
#endif
}

void DMA1_Channel2_3_IRQHandler(void)
{
#if(I2C_COMM_TEST)
    HAL_DMA_IRQHandler(I2cHandle.hdmarx);
#endif
}

...
...

void I2C1_IRQHandler(void)
{
#if(I2C_SLAVE)
    HAL_I2C_ER_IRQHandler(&I2cHandle);
#endif
    
    HAL_I2C_EV_IRQHandler(&I2cHandle);
}

...
...

这部分的修改，主从机也差不多相同。

5. main.c 中进行调用

int main(void)
{
    HAL_Init();             // systick初始化
    SystemClock_Config();   // 配置系统时钟
    
    if(USART_Config() != HAL_OK) Error_Handler();         
    printf("\r\n\r\n\r\n"
           "[SYS_INIT] Debug port initilaized.\r\n");

#if(I2C_COMM_TEST)
    if(app_i2c_init() != HAL_OK) Error_Handler();
    printf("[SYS_INIT] I2C initialized.\r\n");
#endif

    printf("\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n|        PY32F003 MCU is ready.         |"
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n         10 digits sent to you!          "
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n");
           
    HAL_Delay(0);
    if (DBG_UART_Start() != HAL_OK) Error_Handler();
    HAL_Delay(0);

#if(I2C_COMM_TEST)
#if(I2C_SLAVE)
    printf("[SYS_INIT] Slave listening...\r\n");
    app_i2c_slave_receive();  app_i2c_wait();
    app_i2c_slave_transmit(); app_i2c_wait();
#else
    printf("[SYS_INIT] Press User button...\r\n");
    while (BSP_PB_GetState(BUTTON_KEY) == 1) { };

    app_i2c_master_transmit(); // app_i2c_wait();
    app_i2c_master_receive();  // app_i2c_wait();
    
#endif
#endif

    while (1)
    { 
        BSP_LED_Toggle(LED3);
        HAL_Delay(500);
    }
}

请注意 app_i2c_master_transmit(); 和 app_i2c_master_receive(); 这两句后面的 app_i2c_wait(); 被注释掉了，这是因为这两个函数被移到了 xxx_transmit(); 和 xxx_receive(); 中去了。

实验结果

1. 定义 I2C_SLAVE 为 1，编译和烧录从机一侧的代码，在从机开发板上观察 LED 亮起又熄灭，说明代码运行到了 I2C 接收处，同时从 XCOM 的 COM3 窗口可以看到 “Slave listening...”的打印。
2. 定义 I2C_SLAVE 为 0，编译和烧录主机一侧的代码，在主机开发板上观察 LED 亮起又熄灭，从 XCOM 的 COM32 窗口可以看到 “Press User button...” 的提示。
3. 按下主机的“用户按钮”（注意不是复位按钮），观察到主机和从机窗口有预计的打印。
4. 复位从机，再复位主机，按下主机的用户按钮，收发的打印可以复现。

实验的串口截图如下所示。

总结

• 使用 PY32F003 进行 I2C 的主从机交互的配置比较繁杂，需要为 I2C 分配复用端口，分配中断优先级，分配 DMA 资源才能顺利完成。占用资源不少，如果使用了 I2C，DMA 就不能用于其它功能了。
• 配置 DMA 时，要注意 TX/RX 两个方向的 DMA 搬运方向要对应，发送通道的搬运方向是内存->外设，接收通道的搬运方向是外设->内存。
• PY32F003 的 I2C 使用 DMA 的单字节缓冲，因此 DMA 的PeriphDataAlignment 和 MemDataAlignment 都要设置为 BYTE 型。实测如果设置为 HALF_WORD 或者 WORD 会卡死。
• PY32F003 的 I2C 管脚是 PA3/PA2， PA7/PA12，PB6/PB7，它们属于不同 AF 组，如果有其它的功能需要集成在一起，需要仔细地分配这些管脚，避免复用的冲突。
• 主从机通信时，它们必须可靠地共地。实测共地不牢靠，会在收发时卡死。不过在实用产品设计中做到这一点倒不难 ;)
• 作为一颗直连硬件的 MCU，PY32F003 在 I2C 通信中往往充当从机的角色。

因为我的实验都用这个工程，以前的实验用到了 TIM， PWM，DMA，Flash 等，本文整理的代码，尤其是初始化代码，颇费了一些周折。后来还是使用预编译开关把用不到的代码都 #if(0) 掉了才得以顺利运行。

也是的，在实用中，每一个 MCU 的功能一般是较为单一的，无非就是和上位机交换报文，根据通信协议解析报文，然后要么模拟采样，要么PWM输出，要么控制GPIO。上位机通信接口往往也是单一的，要么是 UART， 要么是 I2C，连 SPI 用的都很不多。在 PY32F003 这样一颗 Cortex-M0+ 内核的芯片上完成多种复杂的功能，不免有些为难人家了。实用中多种功能集成在一起的场合也不常见。