STM32（十八）——IIC通信、MPU6050、IIC外设

一、IIC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）
•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）

硬件电路

•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

IIC时序基本单元

SC始终由主机控制产生，从机只能拉伸，不能主动发送时钟。
•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
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）
接收应答：
主机发完 1 --> 主机释放 SDA --> 从机拉低 SDA（0）= 应答，从机不拉低 SDA（1）= 非应答。
发送应答：
主机收完 1 字节 --> 主机控制 SDA --> 主机拉低 SDA（0）= 应答，主机拉高 SDA（1）= 非应答。

IIC时序

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）

起始条件 (S) --> 从机地址 + 写命令 (0xD0) --> 从机应答（RA：0）--> 寄存器地址 (0x19) --> 从机应答（RA：0）--> 数据 (0xAA) --> 从机应答（RA：0）--> 停止条件 (P)

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）

起始条件 (S) --> 从机地址 + 读命令 (0xD1) --> 从机应答（RA：0）-->接收数据 (0x0F)-->主机非应答（RA：1）--> 停止条件 (P)

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）

起始条件 (S) --> 从机地址 + 写命令 (0xD0) --> 从机应答（RA:0）--> 寄存器地址 (0x19) --> 从机应答（RA:0）--> 重复起始条件 (Sr) --> 从机地址 + 读命令 (0xD1) --> 从机应答（RA:0）--> 接收数据 (0xAA) --> 主机非应答（SA:1）--> 停止条件 (P)

这里要指定地址读，所以主机一开始进行写操作指定从机和读取地址，然后转换为读操作（不能直接转换，要发送Sr）

二、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
•3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度

加速度计：具有静态稳定性，动态不稳定

陀螺仪：具有动态稳定性，不具有静态稳定性。

MPU6050参数

•16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767
•加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g）
•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（接地：AD0=0）→ 0x68 → 写 0xD0，读 0xD1

1101001（接 VCC：AD0=1）→ 0x69 → 写 0xD2，读 0xD3

硬件电路

电源与稳压模块

输入：VCC_5V 作为系统主电源。
LDO 稳压：Q2 是一颗 3.3V LDO，将 5V 转换为稳定的 3.3V 输出，为整个传感器模块供电。
滤波电容 ：
- C3（4.7µF）：LDO 输入滤波，抑制电源纹波。
- C10（10µF）、C12（0.1µF）：LDO 输出滤波，提供稳定的 3.3V 电压。
状态指示：R201（1kΩ）和 LED D1 组成电源指示灯，3.3V 上电后 LED 点亮，直观显示模块工作状态。

MPU-6050 核心电路

供电与去耦 ：
- VDD（13 脚）和 VLOGIC（11 脚）均连接到 3.3V。
- C102（0.1µF）是 MPU-6050 的电源去耦电容，必须靠近芯片放置，滤除高频噪声。
I2C 通信 ：
- SDA（23 脚）和 SCL（24 脚）是 I2C 通信引脚，通过 4.7kΩ 上拉电阻 R4、R5 连接到 3.3V，确保总线在空闲时为高电平。
- 从图中 AD0（9 脚）接地可知，MPU-6050 的 I2C 从机地址为 0x68（7 位地址）。
辅助 I2C（AUX） ：
- AUX_DA（XDA, 6 脚）和 AUX_CL（XCL, 7 脚）是 MPU-6050 的辅助 I2C 接口，用于外接磁力计等传感器，图中通过 J1 接口引出，方便扩展。
中断与其他 ：
- INT（12 脚）是中断输出引脚，可用于向主控（如 STM32）发送数据就绪等信号。
- C11、C13（0.01µF, 0.1µF）是去耦电容，C14（2200pF）是内部稳压电路的滤波电容，均按 datasheet 要求配置。

J1（CON1）：辅助接口

引出了 XDA、XCL、AD0、INT 信号。
R6（4.7kΩ）将 AD0 下拉到地，固定了 I2C 地址；同时也方便用户通过跳线帽改变 AD0 电平，切换地址为 0x69。

框图

传感与采集模块
- 3 轴加速度计（X/Y/Z Accel）和 3 轴陀螺仪（X/Y/Z Gyro），每个通道都带有自测试（Self test）功能。
- 内置温度传感器（Temp Sensor）。
- 所有模拟信号均通过 16 位 ADC 转换为数字量，送入信号调理模块（Signal Conditioning）。
信号处理与控制模块
- 信号调理（Signal Conditioning）：对原始数据进行滤波、校准等预处理。
- 数字运动处理器（DMP）：内置硬件加速引擎，可直接运行姿态解算等复杂算法，减轻主控 MCU 负担。
- FIFO：用于缓存传感器数据，支持批量读取，降低总线通信频率。
- 中断状态寄存器：管理数据就绪、FIFO 溢出等中断事件，通过 INT 引脚输出。
通信与接口模块
- 主 / 从 I2C/SPI 接口：支持与主控 MCU 通信，同时可通过 AUX_DA/AUX_CL 外接磁力计等传感器。
- 串行接口多路复用器：实现主从 I2C 通道的灵活切换。
电源与时钟模块
- 偏置与 LDO：为芯片内部电路提供稳定的电源。
- 时钟模块：支持外部时钟输入（CLKIN）和内部时钟输出（CLKOUT）。
- 电荷泵：为陀螺仪提供必要的驱动电压。

三、IIC外设

简介

•STM32内部集成了硬件I2C收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻CPU的负担
•支持多主机模型
•支持7位/10位地址模式
•支持不同的通讯速度，标准速度(高达100 kHz)，快速(高达400 kHz)
•支持DMA
•兼容SMBus协议
•STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

结构

框图

基本结构

数据寄存器 DR

唯一性 ：I2C 是半双工通信，因此只存在一个 DR 寄存器，它既是发送缓冲区，也是接收缓冲区。
CPU 视角 ：
- 当你执行 I2C1->DR = data 时，CPU 将并行数据写入 DR，准备发送。
- 当你执行 uint8_t rx = I2C1->DR 时，CPU 从 DR 中读取刚刚接收到的并行数据。

移位寄存器

硬件视角：移位寄存器直接与 SDA 引脚相连，负责在 SCL 时钟的驱动下，将并行数据逐位转换成串行数据发送出去，或者将串行数据逐位移入并转换成并行数据。（实行的是高位先行）
协作关系 ：
- 发送时：CPU 将数据写入 DR，硬件自动将 DR 中的数据并行加载到移位寄存器，然后在 SCL 控制下逐位移出到 SDA 线。
- 接收时：移位寄存器在 SCL 控制下，从 SDA 线逐位移入数据，填满后，硬件自动将其并行加载到 DR 中，等待 CPU 读取。

这种设计实现了 CPU 与外设硬件之间的高效解耦，CPU 只需要操作 DR，而复杂的时序和移位工作由硬件自动完成。

主机发送

7 位地址主发送流程

EV5 ：产生起始条件（S），硬件置位 SB 位。软件需读取 SR1，然后将从机地址写入 DR 寄存器以清除该事件。
EV6 ：地址发送完成并收到应答，硬件置位 ADDR 位。软件需依次读取 SR1 和 SR2 来清除该事件。
EV8_1：地址发送后，数据寄存器（DR）和移位寄存器都为空。此时应写入第一个数据字节。
EV8：数据字节发送完成，DR 为空，移位寄存器非空。此时应写入下一个数据字节，直到所有数据发送完毕。
EV8_2 ：最后一个数据字节发送完成，TxE 和 BTF 位均被置位。此时软件应产生停止条件（P）来结束通信。

10 位地址主发送流程

10 位地址模式是 7 位模式的扩展，多了一个发送地址高 4 位的步骤：

EV5：产生起始条件。
EV9 ：发送帧头（包含地址高 4 位），硬件置位 ADDR10 位。软件需读取 SR1，然后写入地址低 8 位到 DR。
EV6 ：地址低 8 位发送完成，硬件置位 ADDR 位。软件清除该事件。
后续的 EV8_1 、EV8 、EV8_2 事件处理与 7 位模式完全一致。

SR 是只读寄存器：CPU 只能读取里面的标志位，不能直接修改；标志位的清除通常通过 "读特定寄存器 + 写数据" 的方式完成（比如读 SR1 + 读 SR2 清除 ADDR 位）。
不同外设的 SR 不同：比如 USART 也有 SR（USART_SR），但里面的标志位和 I2C_SR 完全不一样，不要混淆。

主机接收

7 位地址主接收流程

EV5 ：产生起始条件（S），硬件置位 SB 位。软件需读取 SR1，然后将从机地址（带读位）写入 DR 寄存器以清除该事件。
EV6 ：地址发送完成并收到应答，硬件置位 ADDR 位。软件需依次读取 SR1 和 SR2 来清除该事件。
EV6_1 ：仅在接收 1 个字节 时触发。在清除 ADDR 后，需立即清除 ACK 位并设置 STOP 位，为接收最后一个字节做准备。
EV7 ：一个数据字节接收完成，硬件置位 RxNE 位。软件需读取 DR 寄存器来清除该事件并获取数据。此事件在接收多个字节时重复发生。
EV7_1 ：最后一个数据字节接收完成，硬件置位 RxNE 位。软件需读取 DR，然后设置 ACK=0（发送 NACK）和 STOP（产生停止条件）来结束通信。

10 位地址主接收流程

10 位地址模式比 7 位模式更复杂，需要两次地址发送和一个重复起始条件：

EV5：产生起始条件，发送帧头（写地址）。
EV9 ：帧头发送完成，硬件置位 ADDR10 位。软件读取 SR1 后写入地址低 8 位。
EV6 ：地址低 8 位发送完成，硬件置位 ADDR 位。软件清除该事件后，必须产生一个重复起始条件（S<sub>r</sub>）。
EV5：重复起始条件产生，发送帧头（读地址）。
后续的 EV6 、EV6_1 、EV7 、EV7_1 事件处理与 7 位模式一致。

软硬对比

软件

硬件

硬件 I2C

SCL 时钟：非常规整、均匀，频率稳定，几乎没有抖动。这是因为时钟由 STM32 的外设硬件定时器精确生成。
SDA 跳变：数据位的跳变严格遵守 I2C 协议，发生在 SCL 为低电平期间，时序干净利落。
整体观感：波形平滑、专业，符合 I2C 规范，通信可靠性高。

软件 I2C

SCL 时钟：波形有明显的 "毛刺" 和不均匀性，高低电平持续时间不一致。这是因为 SCL 是由 CPU 通过 GPIO 翻转模拟出来的，受中断、其他任务和指令执行时间影响。
SDA 跳变：虽然也遵循协议，但跳变时机不如硬件 I2C 精准，可能存在微小的时序偏差。
整体观感：波形略显 "粗糙"，通信速率和稳定性受 CPU 负载影响较大。

波形背后的原理

硬件 I2C：CPU 只需要向 DR 寄存器写入数据或读取数据，剩下的起始条件、地址发送、数据移位、应答检测、停止条件等所有复杂时序，都由外设硬件自动完成。这就像一辆自动驾驶汽车，CPU 只需要下达目的地指令。
软件 I2C：CPU 必须手动控制每一个步骤：拉低 SDA 产生起始条件、翻转 SCL 发送每一位数据、读取 SDA 检测应答、拉高 SDA 产生停止条件。这就像手动驾驶，CPU 全程操控方向盘和油门。