（软件实现IIC）IIC详解，STM32F103外设IIC驱动代码配置，以和MPU6050通信为例_stm32f103iic例程-程序员宅基地
技术标签： 嵌入式硬件
IIC总线介绍
1.两根通信线：SCL和SDA
2.同步、半双工、带有数据应答
IIC电路规范
1.所有的IIC设备的SCL和SDA共用同一条总线
2.两根总线的配置都要为开漏输出
3.SCL和SDA上面各添加了上拉电阻；上拉电阻的阻值一般为4.7KΩ
意义：为避免高电平期间引脚处于浮空，通过加上电阻拉到高电平，使总线处于弱上拉，这样一来所以设备只能对总线进行下拉（置低电平）或者放手（置高电平）操作
弱上拉的好处：
1.杜绝了电源短路现象，保证电路安全
2.避免引脚模式的频繁切换，开漏加弱上拉模式，同时兼具了输入和输出的功能
3.具有《线与》的现象：只要有一个设备输出低电平，总线就处于低电平，只有全部设备输出为高电平，总线才为高电平；可以利用这个特性，执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁。所以SCL虽然在一主多从模式下可以使用推挽输出，但是任然采用开漏弱上拉输出的模式。
4.开漏输出和上拉电阻共同作用，实现了“线与”的功能（解决多机通信互相干扰的问题）
对照下图理解
引脚配置为开漏输出（如下图）
IIC时序结构
1.起始条件：
SCL为高电平时；SDA由高电平变为低电平
2.终止条件：
SCL为高电平时；SDA由低电平变为高电平
类似串口时序的起始位和停止位；这也是一帧完整数据帧的特征
如下图
3.发送一个字节（8位）：
SCL为低电平期间，主机将一位数据写输入SDA上，将SCL电平拉至高电平，在SCL为高电平期间，从机进行接收并读取数据（此时不能改变SDA电平状态）；循环八次即可发送一个字节（8位）
如下图
IIC数据高位先行；串口时序是低位先行
4.接收一个字节（8位）：
SCL低电平期间，从机将数据写入SDA上，然后拉高SCL至高电平，SCL在高电平期间，主机读取SDA上的数据（此时不能改变SDA电平状态）；循环八次即可接收一个字节（8位）；【主机读取SDA上的数据之前，要先释放SDA，即将SDA拉至高电平】
如下图
释放SDA：意思就是切换为输入模式，必须先放手，如果不放手别的设备无论发送什么都将是低电平（原因是线与特性）
5.发送应答：
在接收完一个字节后，主机在下一个时钟SCL为低电平时，在SDA上发送一位数据（0：应答 、 1：非应答）
6.接收应答：
在发送完一个字节后，从机在下一个时钟SCL为低电平时，在SDA上发送一位数据，主机接收一位数据（0：应答 、 1：非应答）【与上面一样：主机接收SDA上的数据之前，要先释放SDA，即将SDA拉至高电平】
如下图
IIC数据帧
协议标准里分为7位地址和11位地址；下文以7位地址数据帧为例子
具有IIC通信的设备在出厂时就已经分频好了对应地址,例如：
MPU6050：1101 000
AT24C02: 1010 000
当然地址也能通过引脚灵活替换
1.发送一帧数据：
起始条件+要发送到的地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+发送的8位数据+应答位+…+停止条件
在指定设备1101000写（0），在指定地址下0001 1001，写入数据1010 1010
时序图如下：
下方第一个应答位是从机产生的，也是由从机释放交出SDA控制权，因为从机要在低电平尽快变换数据；所以上升沿和SCL下降沿几乎同时发生
2.接收一帧数据：
起始条件+要读取的地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+读取的8位数据+应答位+…+读取的8位数据+应答位（1，不应答，因为想停止读取）+停止条件
在指定设备1101 000读（1），在当前地址指针指示的地址下（每读一次指针加1），读入数据0000 1111，主机不读了应答位就置1，然后发送停止条件
时序图如下：
3.先发送要读取的地址，再接收该地址数据：
起始条件+要发送到的地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+发送的8位数据+应答位+…+
起始条件+要读取的地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+读取的8位数据+应答位+…+读取的8位数据+应答位（1，不应答，因为想停止读取）+停止条件
在指定设备1101000写（0），发送指定读取寄存器地址0001 1001，再次发送起始条件，在指定设备1101000读（1），读入数据1010 1010（每读取一次地址指针加1：因此可以连续读取一片寄存器），不想读取主机发送非应答（1）
4.字节写：
起始条件+要发送到的设备地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+要发送到要写入的地址+应答位+发送的8位数据+应答位+…+停止条件
5.随机读：
起始条件+要发送到的设备地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+要发送到要写入的地址+应答位+发送的8位数据+应答位+…+
起始条件+要读取的地址（最低为0为发送数据、1为读取数据）+应答位+读取的8位数据+应答位+…+读取的8位数据+应答位（1，不应答，因为想停止读取）+停止条件
I2C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
I2C框图
I2C基本结构
主机发送
主机接收
软件/硬件波形对比
软件IIC程序代码配置
软件IIC通信层
.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);//BitAction:枚举
Delay_us(10);
}
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
Delay_us(10);
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_R_SDA
*@brief :读SDA线的电平
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
uint8_t BitValue;
BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
Delay_us(10);
return BitValue;
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_Init
*@brief :初始化
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MyI2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; //开漏输出(既能输出也能输入)
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11); //高电平：IIC总线处于空闲状态
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_Start
*@brief :起始条件
*@param :--
*@return :void
*@author :--先把SCL和SDA都释放：输出1；先拉低SDA；再拉低SCL：兼容起始条件和重复起始条件
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MyI2C_Start(void)
{
MyI2C_W_SDA(1);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(0); //先拉低SDA
MyI2C_W_SCL(0); //再拉低SCL
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_Stop
*@brief :终止条件
*@param :--
*@return :void
*@author :--：先拉低SDA；再释放SCL；在释放SDA
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MyI2C_Stop(void)
{
MyI2C_W_SDA(0);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(1);
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_SendByte
*@brief :发送一个字节
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i ++) //循环8次
{
MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));//取决于Byte的最高位xxxx xxxx & 1000 0000 = x000 0000 = 0x80(1) | 0x00(0)
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SCL(0);
}
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_ReceiveByte
*@brief :接收一个字节
*@param :--
*@return :uint8_t Byte
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
uint8_t i, Byte = 0x00;
MyI2C_W_SDA(1); //主机释放SDA//从机把数据放到SDA
for (i = 0; i < 8; i ++) //循环8次
{
MyI2C_W_SCL(1); //高电平读取
if (MyI2C_R_SDA() == 1)//判断SDA数据是否为高电平
{
Byte |= (0x80 >> i);//如果为高电平，将高电平写入Byte，不是高电平则不需要修改（Byte初始值默认低电平）
}
MyI2C_W_SCL(0); //拉低SCL，从机继续写入
}
return Byte;
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_SendAck
*@brief :发送一个应答字节
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
MyI2C_W_SDA(AckBit);//主机把应答位放到SDA上
MyI2C_W_SCL(1);//拉高SCL，从机读取
MyI2C_W_SCL(0);//拉低SCL，进入下一个时序单元
}
/***********************************************************
*@fuction :MyI2C_ReceiveAck
*@brief :接收应答
*@param :--
*@return :uint8_t AckBit
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
uint8_t AckBit;
MyI2C_W_SDA(1); //主机释放SDA
MyI2C_W_SCL(1); //拉高SCL，读取SDA数据
AckBit = MyI2C_R_SDA();//读取数据放到AckBit上
MyI2C_W_SCL(0); //拉低SCL，进入下一个时序单元
return AckBit;
}
.h
#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H
#include "stdint.h"
void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);
#endif
MPU6050_Soft.c
#include "stm32f10x.h"
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Soft_Reg.h"
#include "MPU6050_Soft.h"
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0 //写地址
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_WriteReg
*@brief :指定地址写一个字节
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS); //发送从机地址
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答；返回应答位；可判断
MyI2C_SendByte(RegAddress); //发送指定寄存器里的内容；MPU6050当前地址指针里
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
/****************************
后两句套起来循环，可以写多个字节
****************************/
MyI2C_SendByte(Data); //发送字节：写入指定寄存器地址下的数据
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_Stop(); //终止时序
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_ReadReg
*@brief :指定地址读一个字节
*@param :--
*@return :uint8_t Data
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
uint8_t Data; //存储读的字节
/****************************
指定地址
****************************/
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_SendByte(RegAddress);
MyI2C_ReceiveAck();
/****************************
重新指定读写位
****************************/
MyI2C_Start(); //重复起始位
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01); //或上0x01 将写地址 改为 读地址
MyI2C_ReceiveAck();
/****************************
后两句套起来循环，可以读多个字节
****************************/
Data = MyI2C_ReceiveByte(); //接收字节
MyI2C_SendAck(1); //不给从机应答
MyI2C_Stop(); //终止时序
return Data;
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_Init
*@brief :初始化
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MPU6050_Init(void) //建立在MyI2C之上
{
MyI2C_Init(); //继承一下底层
/*********************************
MPU6050寄存器的配置
*********************************/
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//配置电源管理寄存器1
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);//配置电源管理寄存器1
MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//采样率分频：10分频
MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06); //数字低通滤波器
MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//陀螺仪
MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//加速度计
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_GetID
*@brief :读取设备ID号
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}
/**
**************************************************************************
** -------------------------------------------------------------------- **
** @name : MPU6050_GetData
** @brief : 获取数据寄存器
** @param : None
** @retval : int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ
** @author : XRaccoon
** -------------------------------------------------------------------- **
** @attention : None
** -------------------------------------------------------------------- **
**************************************************************************
**/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
uint8_t DataH, DataL;//高8位；低8位
/*******************************
加速度值
*******************************/
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H); //读取高八位的值
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L); //读取第八位的值
*AccX = (DataH << 8) | DataL; //高八位左移8位，再或上第八位：加速度计X轴的16位数据；（通过指针变量返回）
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
*AccY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
*AccZ = (DataH << 8) | DataL;
/*******************************
陀螺仪值
*******************************/
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
*GyroX = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
*GyroY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}
MPU6050_Soft.h
#include "stm32f10x.h"
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Soft_Reg.h"
#include "MPU6050_Soft.h"
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0 //写地址
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_WriteReg
*@brief :指定地址写一个字节
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS); //发送从机地址
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答；返回应答位；可判断
MyI2C_SendByte(RegAddress); //发送指定寄存器里的内容；MPU6050当前地址指针里
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
/****************************
后两句套起来循环，可以写多个字节
****************************/
MyI2C_SendByte(Data); //发送字节：写入指定寄存器地址下的数据
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_Stop(); //终止时序
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_ReadReg
*@brief :指定地址读一个字节
*@param :--
*@return :uint8_t Data
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
uint8_t Data; //存储读的字节
/****************************
指定地址
****************************/
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_SendByte(RegAddress);
MyI2C_ReceiveAck();
/****************************
重新指定读写位
****************************/
MyI2C_Start(); //重复起始位
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01); //或上0x01 将写地址 改为 读地址
MyI2C_ReceiveAck();
/****************************
后两句套起来循环，可以读多个字节
****************************/
Data = MyI2C_ReceiveByte(); //接收字节
MyI2C_SendAck(1); //不给从机应答
MyI2C_Stop(); //终止时序
return Data;
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_Init
*@brief :初始化
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
void MPU6050_Init(void) //建立在MyI2C之上
{
MyI2C_Init(); //继承一下底层
/*********************************
MPU6050寄存器的配置
*********************************/
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//配置电源管理寄存器1
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);//配置电源管理寄存器1
MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//采样率分频：10分频
MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06); //数字低通滤波器
MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//陀螺仪
MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//加速度计
}
/***********************************************************
*@fuction :MPU6050_GetID
*@brief :读取设备ID号
*@param :--
*@return :void
*@author :--
*@date :2023-07-24
***********************************************************/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}
/**
**************************************************************************
** -------------------------------------------------------------------- **
** @name : MPU6050_GetData
** @brief : 获取数据寄存器
** @param : None
** @retval : int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ
** @author : XRaccoon
** -------------------------------------------------------------------- **
** @attention : None
** -------------------------------------------------------------------- **
**************************************************************************
**/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
uint8_t DataH, DataL;//高8位；低8位
/*******************************
加速度值
*******************************/
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H); //读取高八位的值
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L); //读取第八位的值
*AccX = (DataH << 8) | DataL; //高八位左移8位，再或上第八位：加速度计X轴的16位数据；（通过指针变量返回）
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
*AccY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
*AccZ = (DataH << 8) | DataL;
/*******************************
陀螺仪值
*******************************/
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
*GyroX = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
*GyroY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}
MPU6050_Soft_Reg.h
MPU6050相关寄存器的宏定义
/**
******************************************************************************
**--------------------------------------------------------------------------**
** @FileName : MPU6050_Reg.h
** @Description : None
**--------------------------------------------------------------------------**
** @Author Date : XRaccoon 2023-07-24
** @Version : v1.0
**--------------------------------------------------------------------------**
** @Function List : None
**--------------------------------------------------------------------------**
** @Attention : None
**--------------------------------------------------------------------------**
******************************************************************************
*
**/
/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef __M_P_U6050__REG_H_
#define __M_P_U6050__REG_H_
#endif
/******************************** END OF FILE *********************************/
#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H
#define MPU6050_SMPLRT_DIV 0x19
#define MPU6050_CONFIG 0x1A
#define MPU6050_GYRO_CONFIG 0x1B
#define MPU6050_ACCEL_CONFIG 0x1C
#define MPU6050_ACCEL_XOUT_H 0x3B
#define MPU6050_ACCEL_XOUT_L 0x3C
#define MPU6050_ACCEL_YOUT_H 0x3D
#define MPU6050_ACCEL_YOUT_L 0x3E
#define MPU6050_ACCEL_ZOUT_H 0x3F
#define MPU6050_ACCEL_ZOUT_L 0x40
#define MPU6050_TEMP_OUT_H 0x41
#define MPU6050_TEMP_OUT_L 0x42
#define MPU6050_GYRO_XOUT_H 0x43
#define MPU6050_GYRO_XOUT_L 0x44
#define MPU6050_GYRO_YOUT_H 0x45
#define MPU6050_GYRO_YOUT_L 0x46
#define MPU6050_GYRO_ZOUT_H 0x47
#define MPU6050_GYRO_ZOUT_L 0x48
#define MPU6050_PWR_MGMT_1 0x6B //电源管理寄存器1
#define MPU6050_PWR_MGMT_2 0x6C //电源管理寄存器2
#define MPU6050_WHO_AM_I 0x75
#endif
注意
硬件IIC见下章
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