0.前言

對于大多數單片機來說，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揮MCU內部的硬件資源。查閱了所有關于MSP430F5系列的圖書，沒有關于硬件I2C的應用代碼，自己通過調試摸索，把經驗總結之后和大家分享，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，中斷法可以靈活的進入低功耗模式，但是不易理解。本文先從等待法入手。

MSP430F5系列的硬件I2C使用大致會有以下問題：

【I2C地址設定】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停止位發送】在I2C讀操作過程中，讀取最后一個字節之后MCU應向從機發送無應答，MSP430F5系列的MCU發送無應答的操作將自動完成，這就以為在讀取最后一個字節內容時，應先操作停止位相關寄存器。

【 I2C起始位發送】如果仔細分析MSP430F5參考手冊，將會發現讀操作和寫操作發送I2C起始位時略有不同。寫操作時需要先向TXBUF中寫入數據，之后才可以等待TXSTT標志位變為0，而讀操作和寫操作稍有不同。

【AT24C02操作時序圖】

1.初始化設置

1.1代碼實現 

void ucb0_config(void)  

{  

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

  P3DIR |= BIT2;  

  P3OUT |= BIT2;  

  // 輸出9個時鐘以恢復I2C總線狀態  

  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主機模式  

  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（I2C啟動之后傳送的第一個字節）由7位I2C地址和1位讀寫標志位組成，7位I2C地址即7位地址，若讀寫標志位為讀標志（讀寫標志位置位）加上7位I2C地址便組成了讀地址（讀控制字），若讀寫標志位為寫標志（讀寫標志位清零）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地址寄存器應寫入7位地址，參照上面的例子應寫入0X50。至于I2C讀寫位的控制由CTL1寄存器完成，用戶無需干預。

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

2.寫單個字節

向I2C從設備寫入單個字節應該是最為簡單的一個操作，因為所有的控制權都在主機手中。寫單個字節實際包括了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容。對于AT24C02而言，存儲內容的字節長度為一個字節，而對于容量更大的EEPROM而言，存儲地址可為兩個字節。

2.1 代碼實現

uint8_teeprom_writebyte( uint8_t word_addr, uint8_tword_value )  

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 寫模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 發送字節地址  

  // 等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0 同時變化等待一個標志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若無應答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  UCB0TXBUF = word_value;          // 發送字節內容  

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

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTP);       // 等待發送完成  

  return 0;  

}  

2.2 代碼分析

關于代碼出口的說明，關于I2C的讀寫函數，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代表從機無應答。這種組合方式可能與各位的編程習慣有出入，一般認為返回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錯誤原因，因為“0”只有一個，而非“0”卻有很多。

寫單個字節可以劃分為——從機寫地址發送、寄存器地址發送、寄存器內容發送。寄存器地址的發送由MSP430自動完成，這和軟件模擬的操作有所區別。請勿發送I2C從機地址，若操作AT24C02發送需要寫入的存儲字節的首地址即可。

在單字節和多字節寫操作過程中，尤其要注意UCTXSTT標志位的變化位置。UCTXSTT標志位會在從機接收完寫控制字節或讀控制字節之后變化，但是在寫控制字節發送之后，必須先填充TXBUF，再嘗試等待STT標志位復位，此時STT標志位和TXIFG標志位會同時變化。若從機沒有應答，那么NACK標志位也會發生變化。再次強調需要先填充TXBUF，在等待STT標志位復位。以下代碼將導致程序一直停留在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;             // 發送啟動位  

// 等待UCTXSTT=0同時變化,但是很遺憾該變化不會發送  

while(UCB0IFG& UCTXSTT);  

UCB0TXBUF = word_addr;           // 發送字節地址  

3.寫多個字節

3.1代碼實現

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

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 寫模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 發送字節地址  

  // 等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0 同時變化等待一個標志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若無應答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  for( uint8_t i= 0; i < len; i++)  

  {  

    UCB0TXBUF = *pword_buf++;      // 發送寄存器內容  

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

  }  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;  

  while(UCB0CTL1& UCTXSTP);       // 等待發送完成  

  return 0;  

}  

3.2 代碼分析

多字節寫函數和單字節寫函數相似，不做過多的解釋。

4.讀單個字節

單字節讀函數是4中讀寫函數中最為復雜的，復雜的原因在于讀最后一個字節之前就需要操作UCTXSTP標志位。

4.1 代碼實現

uint8_teeprom_readbyte( uint8_t word_addr, uint8_t *pword_value)  

{  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 寫模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位和寫控制字節  

  UCB0TXBUF = word_addr;            //發送字節地址，必須要先填充TXBUF  

  // 等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0 同時變化等待一個標志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若無應答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }                         

  UCB0CTL1 &= ~UCTR;                //讀模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位和讀控制字節  

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

  // 若無應答 UCNACKIFG = 1  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 先發送停止位  

  while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));     // 讀取字節內容  

  *pword_value = UCB0RXBUF;        // 讀取BUF寄存器在發送停止位之后  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  return 0;  

}  

4.2代碼分析

這段代碼給人一個錯覺，MSP430先發送了停止位，然后再讀取了一個字節內容。其實實際情況并不是這樣的。I2C讀操作時，主機讀取最后一個字節內容之后，應向從機發送無應答NACK（無應答區別于應答），之后主機發送停止位。MSP430為了完成這一組合動作，要求用戶提前操作UCTXSTP標志位，在讀取RXBUF之后做出發送NACK和I2C停止位的“組合動作”。

while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));  

*pword_value = UCB0RXBUF;        // 讀取BUF寄存器在發送停止位之后  

UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 發送停止位  

以上代碼可能導致后續的I2C操作無法進行。

5.讀多個字節

5.1代碼實現  

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

{  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  UCB0CTL1 |= UCTR;                // 寫模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位和寫控制字節  

  UCB0TXBUF = word_addr;           // 發送字節地址  

  // 等待UCTXIFG=1與UCTXSTT=0 同時變化等待一個標志位即可  

  while(!(UCB0IFG& UCTXIFG))  

  {  

    if( UCB0IFG& UCNACKIFG )      // 若無應答 UCNACKIFG=1  

    {  

      return 1;  

    }  

  }    

  UCB0CTL1 &= ~UCTR;               // 讀模式  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTT;             // 發送啟動位和讀控制字節  

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

  // 若無應答 UCNACKIFG = 1  

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

  {  

    while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));   // 讀取字節內容，不包括最后一個字節內容  

    *pword_buf++= UCB0RXBUF;  

  }  

  UCB0CTL1 |= UCTXSTP;             // 在接收最后一個字節之前發送停止位  

  while(!(UCB0IFG& UCRXIFG));     // 讀取最后一個字節內容  

  *pword_buf = UCB0RXBUF;  

  while( UCB0CTL1& UCTXSTP );  

  return 0;  

}  

5.2代碼分析

讀單個字節和寫單個字節相似。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從機寫入一個字節內容，所以先填充TXBUF也是合情合理的事情，填充TXBUF之后MSP430會進行一連串的動作——發送I2C起始位、I2C讀控制器和寫入從機的第一個字節。

6 單元測試

單元測試分為兩個部分。單字節寫函數和單字節讀函數分為一組，先使用單字節邪惡函數向某地址寫入某內容，在使用單字節讀函數讀出某內容，如果寫入的參數和讀出的內容相同，則測試通過。多字節寫函數和多字節度函數分為一組，測試過程相似，不同的是寫入的內容從一個變為了連續8個。請注意AT24C02的頁大小為8，若從頁首地址開始，最大的寫字節個數為8。