STM32学习笔记13-通信协议I2C&MPU6050&I2C软件控制

I2C通信协议

I2C通信

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

SCL：串口时钟线：同步的时序，降低对硬件的依赖；

SDA：串口数据线：半双工，一根线兼具发送和接收；

同步，半双工
带数据应答
支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

一主多从：单片机作为主机，主导I2C总线的运行，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机，从机只有被主机点名之后才能控制I2C总线------常用模型

在多主多从的情况下，需要额外调用SCL来达成同步，且复杂的协议

硬件电路（一主多从）

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
设备的SCL和SDA均要配置成开漏上拉输出模式
SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构

开漏输出：原本的推挽输出，是上下都接入高低电平，如果导通则强上拉导通高电平，反之；现在不需要上面电路，当电流导通，会进入浮空状态。

所以这就是对应的开漏输出，当导通后属于浮空状态，这时就需要电阻，把此电路改成弱上拉；

好处：

一、完全杜绝了电源短路的现象，保证电路安全------无论电流高或低，都不会存在同时高电平和低电平的情况；

二、避免了引脚模式的频繁切换，开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能------想换高电平可直接导通即可，低电平就连GND即可；

三、存在"线与"的现象，指只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平，反之；因此可以利用这特性，实现执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁

I2C时序基本单元

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

低电平主机放数据，高电平从机读数据

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

释放SDA：就证明切换为了输入模式，主机一般默认是输入模式，当需要发送的时候，会将SDA拉低；在被动接收的时候，就必须先释放SDA，避免有数据重叠

低电平从机放数据，高电平主机读数据。

此时从机获得控制权，实现表示主机控制部分，虚线表从机控制的部分；

发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答
接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
发送一位或接收一位：这一位作为应答

地址：当主机发送指令，去访问对应设备，这些设备就要有一个独立的地址：

在I2C协议标准里分为7位和10位地址：7位为例，且7位使用范围最广：

厂商会为它分配一个7位的地址，以MPU6050芯片为例，通过芯片手册可以得知是：

1101 000，一般器件地址的最后几位是可以在电路中改变，这里是1101 000x；用来区分同器件的不同地址，当对应引脚接低电平，地址为1101 0000，反之

I2C时序：

都是一个字节的操作

指定地址写
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

示波器：

当前地址读
对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

但是对应读地址，并不能确定当前的读入的地址，所以需要使用当前地址指针，去指向指定地址读
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

若要多个字节的操作，就需要把读和写的操作重复执行，这样时许就变为，在指定的位置开始按顺序连续读写入多个字节

MPU6050简介

MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景
3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度，能确定静态稳定性
3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度（绕X、Y、Z轴旋转的速度），能确定动态稳定性

我们通常都是把芯片内部的器件，想象为机器设备，至于怎么放进芯片的，就是公司的秘籍。

MPU6050参数

16位ADC采集传感器的模拟信号，分为2个字节存储，量化范围：-32768~32767
加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g：1g=9.8m/s）
陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec）
可配置的数字低通滤波器
可配置的时钟源
可配置的采样分频
I2C从机地址：1101000（AD0=0）------7位转换：110 1000------0x68

1101001（AD0=1）

在之前的时序中，读写的操作可以先拆分为7位：0x68，再<<1作为从机操作地址；也可以作4分的地址：0xD0的从机地址，直接修改即可；

硬件电路

MPU6050框图

接线图

10-1 软件I2C读写MPU6050

整体架构：

I2C模块-初始化：GPIO口和6个时序基本单元；

MPU6050模块：基于I2C模块实现指定地址读写操作等

Main模块中，调用MPU6050模块

cpp 复制代码

main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050.h"
//#include "OLED_Font.h"
//软件I2C读写MPU6050

int16_t AX,AY,AZ,GX,GY,GZ;

int main(void){
	OLED_Init();
	MPU6050_Init();
//	MyI2C_Start();
//	//根据通信协议，第一个内容必须是从机地址+读写位
//	MyI2C_SendByte(0xD0); //1101 000  0  :MPU6050的地址+读写位 
//	uint8_t Ack=MyI2C_ReceiveAck();
//	MyI2C_Stop();
//	OLED_ShowNum(1,1,Ack,3);
//	//返回000，符合说明MPU应答了，对此可以对其他的从机进行扫描（扫7位），返回为0的做记录。
//	
	
//	//读MPU的寄存器
//	uint8_t ID=MPU_ReadingReg(0x75);//MPU手册中0x75：芯片的ID号
//	OLED_ShowHexNum(1,1,ID,2);
	
//	//写寄存器，需要先把寄存器的睡眠模式关了，否则无效，相关位置在电源管理器寄存器1的0x6B处
//	MPU_WriteReg(0x6B,0x00);
//	
//	MPU_WriteReg(0x19,0xAA);
//	uint8_t ID=MPU_ReadingReg(0x19);
//	OLED_ShowHexNum(1,1,ID,2);

// 	目前就是相当于存储器的读和写的操作，对于寄存器是与外部设备相关的
	

	while(1){
		MPU_Getdata(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//获取MPU6050的数据
		OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED显示数据
		OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);
		OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);
		OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);
	}
}
MyI2C.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

//对引脚的操作进行优化-用宏或函数都可以，只不过在某些大模块中需要去考虑延时
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue){
	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_10,(BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue){
	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_11,(BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

uint8_t MyI2C_R_SDA(void){
	uint8_t BitValue=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11);
	Delay_us(10);
	return BitValue;
}

	//初始化I2C
void MyI2C_Init(void){
	//软件调用：只需要调用GPIO的读写函数即可
	//1.把SCL和SDA都初始化为开漏输出模式(既可以输出也可输入)
	//2.把SCL和SDA置为高电平
	

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11);
}
//在通讯中，随着主机SCL的变化，从机也会使SDA的电平进行对应的更改
//时序单元-开始
void MyI2C_Start(void){
	//根据I2C通信的高低电平变化得知：先把SCL和SDA都释放，都输出1
	//之后先拉低SDA，再拉低SCL
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);//优先把SDA上去，兼容后续的重复的判断条件
	
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
}
//终止条件
void MyI2C_Stop(void){
	MyI2C_W_SDA(0);//需要帮SDA先拉于低电平
	//而SCL，在接收应答后默认就是低电平，所以不用拉低
	//
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}
//除了开始和结束，其他的操作都是让SCL以低电平的方式结束，方便单元的拼接
//发送一个字节
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte){
	uint8_t i;
	for(i=0;i<8;i++){
		MyI2C_W_SDA(Byte&(0x80>>i)); //根据SDA传入的最高位来确定电平
		
		MyI2C_W_SCL(1);
		MyI2C_W_SCL(0);//先释放再读取，是给从机读取之前的在SDA的数据，一段脉冲时间
	}
}

//接收一个字节
//从机在SDA上，需要先把SDA释放，也就是设置为输入模式。当SCL低电平时，从机把数据放到SDA；SCL为高电平时，读取SDA；
//如果此时SDA出现乱动，则会被认为结束或开始的单元
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void){
	uint8_t i, Byte=0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);
	//读
	for(i=0;i<8;i++){
		MyI2C_W_SCL(1);
		if(MyI2C_R_SDA()==1){
			Byte|=(0x80>>i);
		}
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}

//发送应答和接收应答
//针对一个比特
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit){
	MyI2C_W_SDA(AckBit);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SCL(0);

}

uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void){
	uint8_t AckBit=0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);
	MyI2C_W_SCL(1);
	AckBit=MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);
	return AckBit;
}
MPU6050.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
//在I2C的模块上运行
//宏定义对于的寄存器地址
#define MPU_ADD   0xD0
#include "MPU_Reg.h"
//封装指定地址写和指定地址读的时序
void MPU_WriteReg(uint8_t RegAddress,uint8_t Data){
	MyI2C_Start();
	//发送从机地址，做应答
	MyI2C_SendByte(MPU_ADD);
	MyI2C_ReceiveAck();
	//发送对应的寄存器位置，做应答
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	//发送数据进对应寄存器，做应答
	MyI2C_SendByte(Data);
	MyI2C_ReceiveAck();
	
	MyI2C_Stop();
}

uint8_t MPU_ReadingReg(uint8_t RegAddress){
	uint8_t Data;
	
	MyI2C_Start();
	//发送从机地址，做应答
	MyI2C_SendByte(MPU_ADD);
	MyI2C_ReceiveAck();
	//发送对应的寄存器位置，做应答
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	
	//读的时序，要先重新指定的读写位,所以要重新起始
	MyI2C_Start();
	//传入MPU写的时序
	MyI2C_SendByte(MPU_ADD|0x01);
	MyI2C_ReceiveAck();
	//此时控制权给到从机，由从机进行发送,读后，需要把应答发给从机
	Data=MyI2C_ReceiveByte();
	MyI2C_SendAck(1);//最后一次应答发送1
	
	MyI2C_Stop();
	
	return Data;
}



void MPU6050_Init(void){
	MyI2C_Init();
	MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1,0x01);  //解除睡眠,选择陀螺仪时钟
	MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2,0x00);	//6个轴均不待机
	MPU_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV,0x09);	//采样分频为10
	MPU_WriteReg(MPU6050_CONFIG,0x06);	//滤波参数最大
	MPU_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG,0x18);	//陀螺仪和加速度选择最大
	MPU_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG,0x18);
	//此时的MPU就在进行大量的数据转换，数据存放在其他的寄存器里
}
//获取寄存器的数据
//6个返回值：XYZ的加速度值和陀螺仪值：多返回值的设计：1.外部定义6个全局变量；2.指针，进行变量的地址传递(实参传递)；3.用结构体，成员实现参数打包
void MPU_Getdata(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, 
      						int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)  
{
	//读取加速度寄存器XYZ轴的高8位和低8位
	uint8_t DataH, DataL;								//定义数据高8位和低8位的变量
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据
	*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据
	*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据
	*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据
	*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据
	*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据
	DataL = MPU_ReadingReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据
	*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回

	
}