增强总线的鲁棒性和可靠性

发布时间：2025-7-16

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LPI2C（Low Power Inter-Integrated Circuit）是CKS32K148微控制器中的一个低功耗I2C接口模块。CKS32K148款MCU存在LPI2C0、LPI2C1两个LPI2C，支持标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）、快速+模式(1Mbps)和高速模式（3.4 Mbps）通信速率。

主要特性

兼容性：支持 I2C 总线标准模式、快速模式、快速+模式、从机模式下的高速模式 (HS)。

低功耗：支持低功耗模式。

多主模式：支持多主操作，包括同步和仲裁机制。

中断和 DMA 支持：提供中断和 DMA 支持，减少 CPU 负载。

可配置性：可配置广播呼叫、7 位或 10 位地址模式。可选择SOSC、SIRC、FIRC、SPLL时钟源，支持时钟延长、时序可通过寄存器灵活配置。

错误检测：支持总线忙检测、仲裁丢失、FIFO错误、端口低电平超时、位错误检测。

主机特性

4字深度的 命令/发送/接收FIFO

命令 FIFO 等待空闲 I2C 总线：在启动传输之前，命令 FIFO 会等待 I2C 总线空闲

命令 FIFO 支持启动（重复）START 和 STOP 条件：可以发起一个或多个主接收器传输

STOP 条件可以从命令 FIFO生成，也可在发送 FIFO为空时自动生成

主机请求输入：用于控制 I2C总线传输的启动时间

灵活的接收数据匹配功能：可以在数据匹配时生成中断，并丢弃不需要的数据

标志位和可选中断：用于指示重复 START 条件、STOP 条件、仲裁丢失、意外的 NACK 以及命令字错误

支持可配置的总线空闲超时和引脚低电平超时：增强总线的鲁棒性和可靠性

从机特性

独立的 I2C 从机寄存器：减少因主/从切换带来的软件开销

支持 7 位或 10 位地址、地址范围、SMBus 警报和通用呼叫地址：提供灵活的地址配置和通信功能

发送/接收数据寄存器支持中断或 DMA 请求：便于高效的数据收发

软件可控制的 ACK 或 NACK：支持在 ACK/NACK 位上进行可选的时钟拉伸

可配置的时钟拉伸：避免发送 FIFO 下溢和接收 FIFO 上溢错误

标志位和可选中断：用于指示数据包结束、STOP 条件或位错误检测

主机/从机传输数据

CKS32K148系列MCU的LPI2C框图如下所示：

图1 LPI2C框图

LPI2C 主机和从机控制器逻辑相互独立，用于在 I2C 总线上分开执行所有主/从模式传输任务。这种独立性使得主/从控制器能够高效地管理总线通信，提高了系统的灵活性和性能。

LPI2C端口

LPI2C在不同外部条件下支持不同端口配置模式，通过MCFGR1[26:24]寄存器配置。

开漏支持：LPI2C主设备默认将SDA和SCL引脚配置为开漏模式。

高速模式支持：高速模式的支持也取决于具体的设备，并且要求SCL引脚支持I2C规范中所需的电流源上拉。

超快速模式支持：LPI2C主设备还支持使用SDA和SCL引脚实现I2C超快速模式所需的仅输出推挽功能。支持超快速模式还需要设置MCFGR1[IGNACK]位。

推挽式双线支持：LPI2C主设备还支持推挽式双线配置，如果LPI2C是唯一的主设备且总线上的所有I2C引脚电压相同，则可以支持部分高速模式。

推挽式四线支持：推挽式4线配置将SCL/SDA引脚用于输入数据；SCLS/SDAS引脚用于输出数据，且极性可配置。注意在使用此四线配置时，LPI2C主设备逻辑和LPI2C从设备逻辑无法连接到单独的I2C总线。

LPI2C主机传输

当LPI2C被启用时，它会持续监控I2C总线，以检测总线是否处于空闲状态（通过MSR[BBF]标志位）。当检测到总线空闲超时（由 MCFGR2[BUSIDLE] 配置）或者STOP条件时，I2C总线将被视为空闲。

在I2C总线空闲后，如果发送 FIFO不为空，并且主机请求被触发或禁用，LPI2C主控制器将启动I2C总线上的传输。这一过程包括以下步骤：

等待总线空闲时间

等待的时间= (MCCR0[CLKLO] + 1) * 预分频器 (MCFGR1[PRESCALE])。

发送 START 条件和地址字节

使用主时钟配置寄存器 0 (MCCR0) 中的时序配置发送 START 条件和地址字节；如果配置为高速模式传输，则使用主时钟配置寄存器 1 (MCCR1) 中的时序配置。

执行主发送或主接收传输

根据发送 FIFO 的配置执行主发送或主接收传输。

在最后一次主接收传输中发送 NACK

除非发送 FIFO 中的下一个命令也是接收数据命令且发送 FIFO 不为空，否则在最后一次主接收传输中发送 NACK。

发送重复 START 或 STOP 条件

根据发送 FIFO 和/或 MCFGR1[AUTOSTOP] 的配置发送重复 START 或 STOP 条件。

当 LPI2C 主控制器被禁用时（无论是由于 MCR[MEN] 被清除还是由于模式进入自动禁用），LPI2C 将继续清空发送 FIFO（在发送 FIFO 为空后，LPI2C 会自动生成 STOP 条件）直到发送 STOP 条件。

LPI2C从机传输

当LPI2C被启用前可对从机的地址进行匹配设置：支持 7 位或 10 位地址模式，地址可以配置匹配范围。

等待主机的 START 条件：从机监控 I2C 总线，等待主机发送 START 条件和从机地址。

地址匹配：如果接收到的地址与从机配置的地址匹配，从机发送 ACK 响应，然后LPI2C从机会自动执行从机发送（slave-transmit）或从机接收（slave-receive）传输。

发送、接收数据：从机通过发送数据寄存器 STDR 发送数据；通过接收数据寄存器SRDR接收主机发送的数据。

处理接收完成：如果检测到 STOP 条件或数据包结束，从机可以触发中断或标志位，通知软件处理接收到的数据。

LPI2C主机时序配置说明

LPI2C通讯时，时序参数必须配置为满足 I2C 规范的要求；这将取决于所支持的模式和 LPI2C 功能时钟频率。以下表格提供了不同模式下寄存器时序配置示例：

表1 寄存器时序配置

LPI2C主从通讯实例

1. 配置LPI2C时钟

CLOCK_DRV_Init(&clockMan1_InitConfig0);

其中“clockMan1_InitConfig0”中包含对SIRC、FIRC、SOSC、PLL、以及LPI2C外设(在peripheralClockConfig0结构体内)的时钟配置。

peripheral_clock_config_t peripheralClockConfig0[NUM_OF_PERIPHERAL_CLO CKS_0] = {

...

{

.clockName = LPI2C1_CLK,

.clkGate = true,

.clkSrc=CLK_SRC_SIRC_DIV2,//LPI2C的时钟选择：SOSC/SIRC/FIRC/SPLL

.frac = MULTIPLY_BY_ONE,

.divider = DIVIDE_BY_ONE,

},

...

}

2. 配置LPI2C 引脚

PINS_DRV_Init(NUM_OF_CONFIGURED_PINS0, g_pin_mux_InitConfigArr0);

其中“g_pin_mux_InitConfigArr0”内对LPI2C引脚进行配置：

pin_settings_config_t g_pin_mux_InitConfigArr0[NUM_OF_CONFIGURED_PINS0] = {

...

{//LPI2C SDA引脚设置

.base = PORTC,

.pinPortIdx = 31U,

.pullConfig = PORT_INTERNAL_PULL_UP_ENABLED,

.driveSelect = PORT_LOW_DRIVE_STRENGTH,

.passiveFilter = false,

.mux = PORT_MUX_ALT4,

.pinLock = false,

.intConfig = PORT_DMA_INT_DISABLED,

.clearIntFlag = false,

.gpioBase = NULL,

.digitalFilter = false,

},

{//LPI2C SCK引脚设置

.base = PORTE,

.pinPortIdx = 1U,

.pullConfig = PORT_INTERNAL_PULL_UP_ENABLED,

.driveSelect = PORT_LOW_DRIVE_STRENGTH,

.passiveFilter = false,

.mux = PORT_MUX_ALT4,

.pinLock = false,

.intConfig = PORT_DMA_INT_DISABLED,

.clearIntFlag = false,

.gpioBase = NULL,

.digitalFilter = false,

},

...

}

下表显示了LPI2C0、LPI2C1的PIN脚在MCU中的资源分配：

表2 LPI2C0外设引脚复用

表3 LPI2C1外设引脚复用

3. LPI2C作为主机收发数据

LPI2C作为主机FAST模式400K速率配置从机地址50，设置参数如下：

lpi2c_master_user_config_t lpi2c1_MasterConfig0 = {

.slaveAddress = 50U,//地址配置

.is10bitAddr = false,//十位地址配置

.operatingMode = LPI2C_FAST_MODE,//模式配置

.baudRate = 400000UL,//波特率设置

.transferType = LPI2C_USING_INTERRUPTS,//传输方式

.dmaChannel = 0U,//若使能了DMA，则DMA设置的通道

.masterCallback = NULL,//中断函数

.callbackParam = NULL

};

LPI2C_DRV_MasterInit(INST_LPI2C1,&lpi2c1_MasterConfig0,&lpi2c1MasterState);//LPI2C作为主机初始化

LPI2C_DRV_MasterSendDataBlocking(INST_LPI2C1, masterTxBuffer, BUFF_SIZE, true, OSIF_WAIT_FOREVER);//LPI2C作为主机发送数据

while(!((LPI2C1->MSR)&LPI2C_MSR_SDF_MASK))//停止位检测

{

LPI2C_DRV_MasterReceiveDataBlocking(INST_LPI2C1,masterRxBuffer, BUFF_SIZE, true, OSIF_WAIT_FOREVER);//LPI2C作为主机接收数据

}

1. LPI2C作为从机收发数据

LPI2C作为从机，地址设置50，配置中断接收，设置参数如下：

lpi2c_slave_user_config_t lpi2c1_SlaveConfig0 = {

.slaveAddress = 50U,//从机地址

.is10bitAddr = false,//十位地址配置

.operatingMode = LPI2C_FAST_MODE,//模式配置

.slaveListening = true,//监听模式

.transferType = LPI2C_USING_INTERRUPTS,//中断传输

.dmaChannel = 0U,//若配置了DMA，则从机DMA的通道

.slaveCallback = lpi2c1_SlaveCallback0,//从机中断函数

.callbackParam = NULL

};

LPI2C_DRV_SlaveInit(INST_LPI2C1, &lpi2c1_SlaveConfig0, &lpi2c1SlaveState);//从机初始化

中断内进行数据收发：

void lpi2c1_SlaveCallback0(i2c_slave_event_t slaveEvent,void *userData)

{

uint32_t instance;

instance = (uint32_t)userData;

switch(slaveEvent)

{

case I2C_SLAVE_EVENT_RX_REQ://从机接收数据

LPI2C_DRV_SlaveSetRxBuffer(instance,slaveRxBuffer, BUFF_SIZE);

break;

case I2C_SLAVE_EVENT_TX_REQ://从机发送数据

LPI2C_DRV_SlaveSetTxBuffer(instance, slaveTxBuffer, BUFF_SIZE);

break;

case I2C_SLAVE_EVENT_TX_EMPTY://发送完成

case I2C_SLAVE_EVENT_RX_FULL://接收完成

break;

case I2C_SLAVE_EVENT_STOP:

SendOK = true;

break;

}

}

至此，LPI2C模块简单的主机从机特性及主机从机传输机制讲述完毕。