Fase 3: Comunicaciones y Redes Industriales

📖 Teoría a Estudiar

El Bus I2C (Inter-Integrated Circuit)

A diferencia del SPI, que requiere 4 cables y un CS por cada dispositivo extra, el I2C utiliza solo 2 cables para todo el ecosistema: SCL (Señal de Reloj) y SDA (Señal de Datos). ¿Cómo distingue el STM32 con quién está hablando si todos comparten el mismo cable? Mediante Direcciones Hexadecimales (Addressing). El Maestro grita en el bus: "¡Dispositivo 0x27, escúchame!", y solo el dispositivo con esa dirección responde.

La Arquitectura Open-Drain (Drenador Abierto)

Si dos chips intentaran enviar datos al mismo tiempo en SPI, habría un cortocircuito (Push-Pull). Para evitar esto en I2C con múltiples esclavos, se utiliza la topología Open-Drain. Ningún chip puede inyectar voltaje (3.3V) al cable. Solo pueden "jalar" el cable hacia Tierra (0V) o "soltarlo".

Para que el bus regrese a 3.3V cuando los chips lo sueltan, son obligatorias dos Resistencias de Pull-Up externas (ej. 4.7kΩ). Ellas "tiran" del voltaje hacia arriba. Si el cable está en 3.3V, significa un `1` lógico. Si algún chip conecta su drenador a tierra, el voltaje cae a 0V, lo que significa un `0` lógico.

La Matemática de Configuración I2C

A diferencia del SPI donde solo divides el reloj mediante un Prescaler, el I2C requiere cálculos precisos para garantizar los tiempos de subida y bajada de la señal eléctrica. Si nuestro bus APB1 corre a $42\text{ MHz}$, el tiempo de un ciclo de reloj interno ($T_{PCLK1}$) es $\approx 23.8\text{ ns}$.

Para configurar una velocidad estándar de I2C ($100\text{ kHz}$), el STM32 utiliza el registro CCR (Clock Control Register). La ecuación indica que el ciclo completo se divide en dos fases iguales ($T_{high} = T_{low}$). Por lo tanto:

$$ CCR = \frac{f_{PCLK1}}{2 \times f_{I2C}} = \frac{42,000,000}{2 \times 100,000} = 210 $$

⚙️ Ejercicios Prácticos

Ejercicio 1: Inicializa el módulo I2C1 utilizando los pines físicos PB8 (SCL) y PB9 (SDA). Estos pines corresponden a la Función Alternativa 4 (AF4). Configura los pines expresamente como **Open-Drain**, aplica las fórmulas para $100\text{ kHz}$ y enciende el periférico de comunicaciones.

/**
 * @file i2c_driver.c
 * @brief Inicialización Bare-Metal del bus I2C1 (Standard Mode 100kHz)
 */

#include "stm32f401xe.h"

// Definimos la frecuencia del Bus APB1 (El I2C1 vive en este bus)
#define APB1_FREQ_MHZ 42 

void inicializar_i2c1(void) {
    
    // ====================================================
    // 1. ACTIVAR RELOJES (GPIOB y I2C1)
    // ====================================================
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
    
    // ====================================================
    // 2. CONFIGURAR PINES FÍSICOS (PB8 = SCL, PB9 = SDA)
    // ====================================================
    // Modo Función Alternativa (10 en el registro MODER)
    GPIOB->MODER &= ~(GPIO_MODER_MODE8 | GPIO_MODER_MODE9);
    GPIOB->MODER |=  (GPIO_MODER_MODE8_1 | GPIO_MODER_MODE9_1);
    
    // IMPORTANTE I2C: Configurar pines como OPEN-DRAIN (1 en OTYPER)
    // Si los dejas en Push-Pull (0), quemarás los chips esclavos.
    GPIOB->OTYPER |= GPIO_OTYPER_OT8 | GPIO_OTYPER_OT9;
    
    // Velocidad Máxima
    GPIOB->OSPEEDR |= (3 << (8*2)) | (3 << (9*2));
    
    // Activar Resistencias Pull-Up internas (Aunque las externas de 4.7k son requeridas físicamente)
    GPIOB->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPD8 | GPIO_PUPDR_PUPD9);
    GPIOB->PUPDR |=  (GPIO_PUPDR_PUPD8_0 | GPIO_PUPDR_PUPD9_0);
    
    // Seleccionar AF4 (I2C1) para los pines PB8 y PB9 en el registro Alternate Function High (AFRH)
    // PB8 es el índice 0 en AFRH, PB9 es el índice 1. (0x4 significa AF4)
    GPIOB->AFR[1] &= ~(0xFF << 0); 
    GPIOB->AFR[1] |=  (0x44 << 0);
    
    // ====================================================
    // 3. CONFIGURAR REGISTROS DE COMUNICACIÓN I2C1
    // ====================================================
    // Asegurar que el I2C esté apagado antes de configurar
    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE;
    
    // Le informamos al I2C la velocidad real del bus APB1 en MegaHertz (42)
    I2C1->CR2 &= ~I2C_CR2_FREQ;
    I2C1->CR2 |= APB1_FREQ_MHZ;
    
    // Configurar el reloj (CCR) para 100 kHz (Standard Mode). 
    // Ecuación: CCR = PCLK1 / (2 * I2C_Freq) = 42MHz / (2 * 100kHz) = 210
    I2C1->CCR &= ~I2C_CCR_CCR;
    I2C1->CCR |= 210;
    
    // Configurar el Rise Time Máximo (TRISE)
    // En Standard Mode, el rise time max es 1000 ns.
    // TRISE = (1000ns / (1 / 42MHz)) + 1 = 42 + 1 = 43.
    I2C1->TRISE = APB1_FREQ_MHZ + 1;
    
    // ====================================================
    // 4. ENCENDER EL BUS
    // ====================================================
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE; // Peripheral Enable
}

int main(void) {
    
    // Preparamos los relojes generales y luego el bus
    inicializar_i2c1();
    
    while(1) {
        // En el Día 124, utilizaremos este bus para enviar 
        // nuestro primer comando a la pantalla LCD y verla brillar.
    }
    return 0;
}
        

📝 Resumen del Día

• El I2C (Inter-Integrated Circuit) es un protocolo de dos cables (SDA para datos, SCL para reloj) ideal para conectar múltiples esclavos usando el mismo bus.
• A diferencia del SPI, los esclavos no se seleccionan con pines de hardware, sino enviando su Dirección de Memoria Hexadecimal (Address) en el primer byte de la comunicación.
• La arquitectura Open-Drain (Drenador Abierto) previene cortocircuitos. Los chips no envían voltaje, solo conectan la línea a Tierra. El voltaje positivo (estado `1`) proviene exclusivamente de las Resistencias de Pull-Up conectadas a VDD.
• La configuración Bare-Metal requiere ingresar la frecuencia del bus APB (Registro CR2), calcular la división del reloj (Registro CCR) y el tiempo máximo de subida eléctrico (Registro TRISE).