I²C通信协议

I²C通信协议

i2c简介

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（SerialClock）、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）

i2c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

主机和从机都采用开漏输出，也就是高电平无效，由外部的弱上拉电阻拉高电平

i2c基本时序单元

起始和终止条件

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

发送数据

在SCL低电平期间，主机把数据位按从高位到低位的顺序依次放到SDA的线上，然后将SCL切换到高电平，从机开始根据SDA的电平读数据，当SDA为高电平时读出来的数据为1，当SDA为低电平的的时候读出来的数据为0，读完一个位再把SCL切换到低电平

在SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上面的过程8次，即可发送一个字节

接收数据

在SCL低电平期间，从机把数据位按从高位到低位的顺序依次放到SDA的线上，然后将SCL切换到高电平，主机开始开始根据SDA的电平读数据，当SDA为高电平时读出来的数据为1，当SDA为低电平的的时候读出来的数据为0，读完一个位再把SCL切换到低电平

在SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上面的过程8次，即可接受一个字节（注意：主机在接受数据前要释放SDA）

发送和接收应答

发送应答：在接受完一个字节后，主机下一个时钟发送一位数据，判断主机是否应答，数据0表示应答，数据1表示没有应答
接收应答：在发送完一个字节后，主机下一个时钟再接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示没有应答（主机在接受之前，需要释放SDA）
因为上拉电阻的存在，当主机释放SDA后，SDA默认为高电平，所以用数据1表示没有应答 可以把这个当作第九位数据，类似校验位

i2c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）

时序单元拼接：起始条件—>从机地址+写指令—>接收从机应答位(应答)—>主机指定从机的寄存器地址—>接收从机应答位(应答)—>主机写入的数据—>接收从机应答位(应答)—>停止条件

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）

当前地址指针：

1. 在从机中，所有的寄存器都被分配到一个线性区域中，其中会有个单独的指针变量指向其中的一个寄存器，该指针复位默认指向0地址，并且每写入一个字节和读出一个字节后都会自动自增一次。

2. 在调用当前地址读时序时，主机没有指定要读取的寄存器地址，从机就会发送当前地址指针指向的寄存器的值

当前地址指针的作用：

1. i2c规定，一旦读写标志位给1，下一个字节则立刻转为读的时序，主机无法指定要读取的寄存器，所以没有指定从机寄存器的时序。因此从机会发送当前地址指针指向的寄存器中的数据

时序单元拼接：

起始条件—>从机地址+读指令—>接收从机应答位(应答)—>主机读取从机发送的数据—>主机发送应答位(不应答)—>停止条件

发送应答时，如果主机应答从机，则从机继续发送下一个地址的寄存器中的数据

一般不使用该时序

MPU6050六轴姿态传感器

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

9轴姿态传感器：

3轴加速度计，3轴陀螺仪传感器

3轴磁场传感器：测量X、Y、Z轴的磁场强度

10轴姿态传感器：

3轴加速度计，3轴陀螺仪传感器，3轴磁场传感器

气压传感器：根据气压强度测量垂直地面的高度信息

加速度计

加速度

加速度是速度对于时间的变化率，用于描述物体速度变化的快慢

加速度分为重力加速度和运动加速度，如果此时芯片运动起来了，测量的角度就会受运动加速度的影响。

总结：加速度计具有静态稳定性，不具有动态稳定性

陀螺仪传感器

一般来说，陀螺仪可以测量角速度和旋转角度，但是该芯片无法测量旋转角度，只能测量角速度

角速度

角速度是描述物体绕轴旋转的速度的物理量，通常用符号ω表示。它的单位是弧度/秒，表示物体每秒绕轴旋转的弧度数。

总结：当物体静止时，角速度值会因为噪声无法完全归零 ， 所以陀螺仪具有动态稳定性，不具有静态稳定性

姿态角

姿态角，或者叫做欧拉角。以飞机为例，欧拉角就是飞机机身相对于初始 3 个轴的夹角，飞机机头下倾或者上仰，这个轴的夹角叫做俯仰，Pitch；飞机机身左翻滚或者右翻滚，这个轴的夹角叫做滚转，Roll；飞机机身保持水平，机头向左转向或者向右转向，这个轴的夹角叫做偏航，Yaw，简单来说，欧拉角就表达了飞机此时的姿态。飞机是上仰了还是下倾了，飞机向左倾斜还是向右倾斜，通过欧拉角都能清晰地表示出来。

陀螺仪是动态稳定，静态不稳定，加速度计是静态稳定，动态不稳定。这两种传感器的特性正好互补，所以我们取长补短，进行一下互补滤波，就能融合得到静态和动态都稳定的姿态角了。

MPU6050参数

16位ADC采集传感器，量化范围：-32768~32767

加速度计满量程：-2 ~ +2、-4 ~ +4、-8 ~ +8、-16 ~ +16（g）

陀螺仪满量程：-250 ~ +250、-500 ~ +500、-1000 ~ +1000、-2000 ~ +2000（ °/sec ）

这里满量程的意思就相当于ADC外设的VREF参考电压，当AD值达到最大时对应的电压是3.3V还是5V

可配置的数字低通滤波器

可以配置寄存器来选择对输出数据进行低通滤波；如果你觉得输出数据抖动太厉害，就可以加一点低通滤波，这样输出数据就会平缓一些。

可配置的时钟源

可配置的采样分频

这两个参数是配合使用，时钟源经过这个分频器的分频，可以为 AD 转换和内部其他电路提供时钟，控制分频系数，就可以控制 AD 转换的快慢

i2c从机地址

1101 000（AD0=0）

1101 001（AD0=1）

AD0：是芯片引出来的一个引脚，可以控制7位从机地址的最低位，防止在挂载多个设备时出现相同地址的从机

要对从机进行读写就需要将从机地址整体向左移一位，此时最低位，也就是第0位是读写位，第1位是AD0

也可以直接将读写位都算到从机地址中，也就是0xD1是对该从机读操作，0xD0是对该从机写操作

硬件电路

从图中可以看到，MUP6050的SDA和SCL都接了弱上拉电阻，就不需要我们再接电阻了，直接将SDA和SCL接到GPIO口即可

XCL、XDA：MPU6050只是一个6轴的姿态传感器，如果想进行9轴或者10轴的姿态测量，只需要将磁力计和气压计当作MPU6050的从机，XCL和XDA就是MPU6050作为主机时的引脚

INT： 可以配置芯片内部的一些事件，来触发中断引脚的输出，比如数据准备好了、I2C
主机错误等，另外芯片内部还内置了一些实用的小功能，比如自由落体检测、运动检测、零运动检测等。这些信号都可以出发 INT 引脚产生电平跳变

AD0：MPU6050已经给我们接了一个弱下拉电阻，当引脚悬空时，默认输出低电平

内部框图

时钟源

1. 内部晶振，可以作为系统时钟。
2. XYZ 轴的陀螺仪，它们也都会有个晶振，因为陀螺仪内部需要高精度时钟的支持，所以陀螺仪内部也有独立的时钟，这 3 个时钟也可以输出，作为系统时钟。
3. 通过外部的 CLKIN 引脚，输入 32.768 KHz 的方波，或者 19.2 MHz 的方波，作为系统时钟。(不过这个外部时钟还需要额外的电路，比较麻烦，所以如果不是特别要求的话，一般用内部晶振或者内部陀螺仪的晶振，作为系统时钟，这个是时钟源的选择问题)

自测单元

这部分是用来验证芯片好坏的，当启动自测后，芯片内部会模拟一个外力施加在传感器上，这个外力导致传感器数据会比平时大一些，那如何进行自测呢？
我们可以先使能自测，读取数据，再失能自测，读取数据，两个数据一相减，得到的数据叫自测响应，这个自测响应，芯片手册里给出了一个范围，如果自测响应在这个范围内，就说明芯片没问题，如果不在，就说明芯片可能坏了，使用的话就要小心点，这个是自测的功能

电荷泵

或者叫充电泵，CPOUT 引脚需要外接一个电容，是一种升压电路

电荷泵的升压原理（简单描述，了解一下即可）：

1. 比如我有个电池，电压是 5V，然后再来个电容，首先电池和电容并联，电池给电容充电，充满之后，电容是不是也相当于一个 5V 的电池了。然后呢，关键部分来了，我再修改电路的接法，把电池和电容串联起来，电池 5V，电容也是 5V，这样输出就是 10V 的电压了，就把电池电压升高至两倍了
2. 不过由于这个电容电荷比较少，用一下就不行了，所以这个并联、串联的切换速度要快，趁电容还没放电完，就要及时并联充电，这样一直持续，并联充电，串联放电，并联充电，串联放电，然后后续再加一个电源滤波，就能进行平稳的升压了，这就是电荷泵的升压原理。
3. 那这里，由于陀螺仪内部是需要一个高电压支持的，所以这里设计了一个电荷泵进行升压，当然这个升压过程是自动的，不需要我们管，了解一下即可。
   中断状态寄存器：可以控制内部的哪些事件到中断引脚的输出

先入先出寄存器：对数据流进行缓存

配置寄存器：对内部的各个电路进行配置

数据寄存器：也就是传感器寄存器，存储了各个传感器的数据

工厂校准：这个意思就是内部的传感器都进行了校准

数字运动处理器：简称 DMP，是芯片内部自带的一个姿态解算的硬件算法，配合官方的 DMP 库，可以进行姿态解算

接口旁路选择器：

就是一个开关，如果拨到上面，辅助的 I2C 引脚就和正常的 I2C 引脚接到一起，这样两路总线就合在一起了，STM32 可以控制所有设备，这时 STM32 就是主机，MPU6050 和它的扩展设备都是 STM32 的从机；
如果拨到下面，辅助的 I2C 引脚就由 MPU6050 控制，两条 I2C 总线独立分开，这时 STM32 是 MPU6050 的主机，MPU6050 又是它的扩展设备的主机

案例：软件i2c读写MPU6050

接线图

i2c代码封装

i2c.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

#define i2c_Port GPIOB			// i2c通信的GPIO端口
#define i2c_SCL GPIO_Pin_10		// SCL对应的引脚
#define i2c_SDA GPIO_Pin_11		// SDA对应的引脚

// 操作SCL
void i2c_W_SCL(uint8_t state)
{
	// BitAction：可以将1、0强转为Bit_SET、Bit_RESET
	GPIO_WriteBit(i2c_Port, i2c_SCL, (BitAction)state);
	Delay_us(10);	// 防止单片机主频过快，从机反应不过来
}
// 操作SDA
void i2c_W_SDA(uint8_t state)
{
	// BitAction：可以将1、0强转为Bit_SET、Bit_RESET
	GPIO_WriteBit(i2c_Port, i2c_SDA, (BitAction)state);
	Delay_us(10);	// 防止单片机主频过快，从机反应不过来
}
// 读取SDA
uint8_t i2c_R_SDA()
{
	uint8_t BitVale = GPIO_ReadInputDataBit(i2c_Port, i2c_SDA);
	Delay_us(10);
	return BitVale;
}

// 初始化用于i2c通信的GPIO口
void i2c_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;	// 开漏输出，i2c通信规定高电平无效，由弱上拉置1
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = i2c_SCL | i2c_SDA;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(i2c_Port, &GPIO_InitStruct);
}

// 起始条件
void i2c_Start()
{
	i2c_W_SDA(1);
	i2c_W_SCL(1);
	i2c_W_SDA(0);
	i2c_W_SCL(0);
}

// 结束条件
void i2c_End()
{
	i2c_W_SDA(0);
	i2c_W_SCL(1);
	i2c_W_SDA(1);
}

// 主机发送一个字节
void i2c_Write_Byte(uint8_t Byte)
{
	for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
	{
		i2c_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
		i2c_W_SCL(1);
		i2c_W_SCL(0);
	}
}

// 主机读取一个字节
uint8_t i2c_Read_Byte()
{
	uint8_t Byte = 0x00;
	i2c_W_SDA(1);
	for(uint8_t i = 0;i < 8; i++)
	{
		i2c_W_SCL(1);
		if(i2c_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}
		i2c_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}

// 接收应答
uint8_t i2c_Read_ACK()
{
	i2c_W_SDA(1);
	i2c_W_SCL(1);
	uint8_t ACK = i2c_R_SDA();
	i2c_W_SCL(0);
	return ACK;
}

// 发送应答
void i2c_Write_ACK(uint8_t ACK)
{
	i2c_W_SDA(ACK);
	i2c_W_SCL(1);
	i2c_W_SCL(0);
}

i2c.h

#ifndef __i2c_H
#define __i2c_H

// 初始化用于i2c通信的GPIO口
void i2c_Init(void);
// 起始条件
void i2c_Start(void);
// 结束条件
void i2c_End(void);
// 主机读取一个字节
uint8_t i2c_Read_Byte(void);
// 主机发送一个字节
void i2c_Write_Byte(uint8_t Byte);
// 接收应答
uint8_t i2c_Read_ACK(void);
// 发送应答
void i2c_Write_ACK(uint8_t ACK);

#endif

封装MPU6050

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"
#include "i2c.h"

#define MPU_Addr 0xD0

/**
  * 函    数：写一个字节的数据到寄存器中
  * 参    数：Reg_Addr 寄存器地址
  * 参    数：Byte 要写入的字节
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_Write_Reg(uint8_t Reg_Addr, uint8_t Byte)
{
	i2c_Start();				// 开始条件
	i2c_Write_Byte(MPU_Addr);	// MPU写地址
	i2c_Read_ACK();				// 接收应答
	i2c_Write_Byte(Reg_Addr);	// MPU寄存器地址
	i2c_Read_ACK();				// 接收应答
	i2c_Write_Byte(Byte);		// 写入数据
	i2c_Read_ACK();				// 接收应答
	i2c_End();					// 结束条件
}

/**
  * 函    数：从指定的寄存器中读一个字节的数据
  * 参    数：Reg_Addr 寄存器地址
  * 返 回 值：从寄存器中读出的数据（0~255）
  */
uint8_t MPU6050_Read_Reg(uint8_t Reg_Addr)
{
	uint8_t Data;						// 存放读出的数据
	
	i2c_Start();						// 开始条件
	i2c_Write_Byte(MPU_Addr);			// MPU写地址
	i2c_Read_ACK();						// 接收应答
	i2c_Write_Byte(Reg_Addr);			// MPU寄存器地址
	i2c_Read_ACK();						// 接收应答
	
	i2c_Start();						// 开始条件
	i2c_Write_Byte(MPU_Addr | 0x01);	// MPU读地址
	i2c_Read_ACK();						// 接收应答
	Data = i2c_Read_Byte();				// 读一个字节
	i2c_Write_ACK(1);					// 发送应答不应答
	i2c_End();							// 结束条件
	
	return Data;
}

// 存放数据寄存器中的值从0~7分别为：X、Y、Z轴的加速度、温度、X、Y、Z轴的角速度
int16_t MPU6050_Data[7];

int16_t *MPU6050_Read_ALL_Data()
{
	// MPU6050将数据的高位和低位分开放的，一共7个可测量的数据，有14个数据寄存器
	uint16_t Byte[14];
	
	i2c_Start();							// 起始条件
	i2c_Write_Byte(MPU_Addr);				// 从机地址，写指令
	i2c_Read_ACK();							// 接收应答
	i2c_Write_Byte(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);	// 第一个数据寄存器的地址，每读一次数据，当前地址指针会自增一次
	i2c_Read_ACK();							// 接收应答
	
	i2c_Start();							// 重复起始
	i2c_Write_Byte(MPU_Addr | 0x01);		// 从机地址，读指令
	i2c_Read_ACK();							// 接收应答
	
	// 连续接收14个数据寄存器的数据，将读出来的数据存放到Byte数组中
	for(uint8_t i = 0; i < 14; i++)
	{
		Byte[i] = i2c_Read_Byte();			// 读一个字节
		if(i == 13){i2c_Write_ACK(1);}		// 没有读到14次时主机给发送应答，表示我还要读数据
		else{i2c_Write_ACK(0);}				// 当14个数据寄存器的数据读完后主机不给发送应答，表示数据接收完毕
	}
	
	i2c_End();								// 结束条件
	
	// 将高8位的数和低8位的数据组合起来放到MPU6050数组中返回出去
	for(uint8_t i = 0; i < 7; i++)
	{
		// 高位数据和低位数据是相邻的，高位在低位的前一个地址
		MPU6050_Data[i] = (int16_t)(Byte[i*2] << 8) | (Byte[i*2+1]);
	}
	return MPU6050_Data;
}

void MPU6050_Init()
{
	i2c_Init();
	
	/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);		//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);		//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);		//采样率分频寄存器，配置采样率
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_CONFIG, 0x06);			//配置寄存器，配置DLPF
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);		//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/s
	MPU6050_Write_Reg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);		//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}

MPU6050_Reg.h

MPU6050寄存器的地址

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H

#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19	// 采样分频寄存器
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A	// 配置寄存器
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B	// 陀螺仪配置寄存器
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C	// 加速度计配置寄存器

#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B	// X轴的加速度高8位数据
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C	// X轴的加速度低8位数据
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D	// Y轴的加速度高8位数据
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E	// Y轴的加速度低8位数据
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F	// Z轴的加速度高8位数据
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40	// Z轴的加速度低8位数据
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41	// 温度数据的高8位数据
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42	// 温度数据的低8位数据
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43	// X轴的角速度高8位数据
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44	// X轴的角速度低8位数据
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45	// Y轴的角速度高8位数据
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46	// Y轴的角速度低8位数据
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47	// Z轴的角速度高8位数据
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48	// Z轴的角速度低8位数据

#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	// 器件ID号

#endif

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

// 初始化
void MPU6050_Init(void);

// 写单个寄存器
void MPU6050_Write_Reg(uint8_t Reg_Addr, uint8_t Byte);

// 读取全部数据寄存器
int16_t *MPU6050_Read_ALL_Data(void);

// 读单个寄存器
uint8_t MPU6050_Read_Reg(uint8_t Reg_Addr);

#endif

主函数

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"

int main()
{
	OLED_Init();
	MPU6050_Init();
	
	// 接收返回的数组
	int16_t *MPU_Data;
	while(1)
	{
		// 读取全部数据寄存器
		MPU_Data = MPU6050_Read_ALL_Data();
		
		OLED_ShowSignedNum(1,1,MPU_Data[0],5);
		OLED_ShowSignedNum(2,1,MPU_Data[1],5);
		OLED_ShowSignedNum(3,1,MPU_Data[2],5);
		
		OLED_ShowSignedNum(1,8,MPU_Data[4],5);
		OLED_ShowSignedNum(2,8,MPU_Data[5],5);
		OLED_ShowSignedNum(3,8,MPU_Data[6],5);
		
		OLED_ShowSignedNum(4,3,MPU_Data[3],5);
	}
}

i2c外设

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

1. 固定多主机
   总线上有两个及以上固定的主机，从机和主机设备都是固定的，不可变化

2. 可变多主机
   总线上没有固定的主机和从机，任何一个设备都可以在总线空闲时跳出来当主机，指定其他任何一个设备进项通信，通信完成后主机就又要回到从机的位置。当多个设备要成为主机时就需要进行仲裁，仲裁失败的让出总线控制权。STM32的i2c外设使用的就是可变多主机模型

支持7位/10位地址模式

10位地址

如果总线上的设备超过128后7位地址就不够了，所以有10位地址的模式。

7位地址的设备寻址时只需要发送一个字节即可，10位地址的设备寻址就需要两个字节
第一个字节的高五位必须是11110，也就是10位地址寻址的标志位，第一个字节的最低位依然是读写位，第一个字节剩下的2个位加上第二个字节的8个位就组成10位地址设备的地址
而11110作为10位地址模式的标志位，在7位地址模式下的高五位是不会出现

示例： 例如有一个10位地址的设备地址为：1001 1100 11写模式。那么i2c的前两个字节就要发送：11110 10 0
01110011

15位~11位：11110，标志位

10位~9位：10，设备地址的高两位

8位：0，写指令

7位~0位：01110011，设备地址的低8位

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

在多字节传输的时候可以提高传输效率

兼容SMBus协议

这个 SMBus（System Management Bus），是系统管理总线，SMBus 是基于 I2C 总线改进而来的，主要用于电源管理系统中，SMBus 和 I2C 非常像，所以 STM32 的 I2C 外设就顺便兼容了一下 SMBus

STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

内部框图

数据收发的部分

数据控制部分，这里数据收发的核心部分，是这里的数据寄存器和数据移位寄存器。

发送数据：可以把一个字节数据写到数据寄存器 DR；当移位寄存器没有数据移位时，这个数据寄存器的值就会进一步转到移位寄存器里，在移位的过程中，我们就可以直接把下一个数据放到数据寄存器里等着了，一旦前一个数据移位完成，下一个数据就可以无缝衔接，继续发送，当数据由数据寄存器转到移位寄存器时，就会置状态寄存器的 TXE 位为 1，表示发送寄存器为空，这就是发送的流程
接收数据： 也是这一路，输入的数据，一位一位地从引脚移入到移位寄存器里，当一个字节的数据收齐之后，数据就整体从移位寄存器转到数据寄存器，同时置标志位 RXNE，表示接收寄存器非空，这时我们就可以把数据从数据寄存器读出来了
与串口的区别：串口是全双工，发送数据和接收数据可以同时进行，所以串口有四个寄存器：数据接收寄存器、数据接收移位寄存器、数据发送寄存器、数据发送移位寄存器

地址比较的部分

比较器和地址寄存器这是从机模式使用的， STM32 的 I2C 是基于可变多主机模型设计的，STM32 不进行通信的时候，就是从机，既然作为从机，它就应该可以被别人召唤。

我们可以自定一个从机地址，写到这个寄存器，当 STM32 作为从机，在被寻址时，如果收到的寻址通过比较器判断，和自身地址相同，那 STM32 就作为从机，响应外部主机的召唤

并且这个 STM32 支持同时响应两个从机地址，所以就有自身地址寄存器和双地址寄存器

数据校验部分

这是 STM32 设计的一个数据校验模块，当我们发送一个多字节的数据帧时，在这里硬件可以自动执行 CRC 校验计算

CRC 是一种很常见的数据校验算法，它会根据前面这些数据，进行各种数据运算，然后会得到一个字节的校验位附加在这个数据帧后面，在接收到这一帧数据后，STM32 的硬件也可以自动执行校验的判定，如果数据在传输过程中出错了，CRC 校验算法就通不过，硬件就会置校验错误标志位，告诉你数据错了

i2c的基本结构

移位寄存器和数据寄存器 DR 的配合是通信的核心部分，这里因为 I2C 是高位先行，所以移位寄存器是向左移位，在发送的时候，最高位先移出去，然后是次高位，等等。一个 SCL 时钟，移位一次，移位 8 次，这样就能把一个字节，由高位到低位，依次放到 SDA 线上了，那在接收的时候呢，数据通过 GPIO 口从右边依次移进来，最终移 8 次，一个字节就接收完成了

注意： 这两个对应的 GPIO 口，都要配置成复用开漏输出的模式

主模式数据的收发

也就是STM32作为主机

发送数据，指定地址写

以7位主发送为例的详细流程解释

1. 起始条件S：在控制寄存器 CR1 中，有个 START 位，在这一位写 1，就可以产生起始条件了，当起始条件发出后，这一位可以由硬件清除，所以，只要在这一位写 1，STM32
   就自动产生起始条件了。之后，STM32 由从模式转为主模式，也就是多主机模型下，STM32 有数据要发，就要跳出来

2. EV5： 起始条件之后，会发生 EV5 事件，可以把它当成是标志位。 EV5 事件就是 SB（Start Bit）标志位为 1，SB 是状态寄存器SR1的一个位，这一位置 1，代表起始条件已发送，软件读取 SR1
   寄存器后，也就是查看了这一位，然后写数据寄存器的操作，将清除该位，写数据寄存器
   DR，就是我们接下来的操作，所以按照正常的流程来，这个状态寄存器是不需要手动清除的。

3. 发送从机地址（寻址）：当我们检测起始条件已发送时，就可以发送一个字节的从机地址了，从机地址需要写到数据寄存器 DR 中，写入 DR 之后，硬件电路就会自动把这一个字节，转到移位寄存器里，再把这一个字节发送到 I2C
   总线上，之后硬件会自动接收应答位并判断，如果没有应答，硬件就会置应答失败的标志位，然后这个标志位可以申请中断来提醒我们

4. EV6：在寻址完成之后，会发生 EV6 事件，下面解释了 EV6 事件，就是 ADDR 标志位为 1，在手册中可以找到，ADDR 标志位在主模式状态下就代表地址发送结束。

5. EV8_1：EV6 事件结束后，是 EV8_1 事件，下面解释，EV8_1 事件就是 TxE 标志位 = 1，移位寄存器空，数据寄存器空，这时需要我们写入数据寄存器 DR 进行数据发送了

6. EV8：一旦写入 DR数据寄存之后，因为移位寄存器也是空，所以 DR 会立刻转到移位寄存器进行发送，这时就是 EV8 事件，移位寄存器非空，数据寄存器空，这时就是
   移位寄存器正在发数据的状态。当数据1发送完成后，接收到从机的应答前，在数据寄存器中写入数据2，此时EV8事件消失。然后接收到了从机的应答，数据寄存器DR转移数据到移位寄存器中进行发送，此时EV8事件又出现。在移位寄存器发送的过程中，数据3写入DR数据寄存器中，EV8事件消失。如此循环连续的发送数据

7. EV8_2：最后，当我们想要发送的数据写完之后，这时就没有新的数据可以写入到数据寄存器了。当移位寄存器当前的数据移位完成时，此时就是移位寄存器空，数据寄存器也空的状态，这个事件就是这里的
   EV8_2，下面解释，EV8_2 是 TxE = 1，也就是数据寄存器空，BTF（Byte Transfer
   Finished），这个是字节发送结束标志位，手册里可以看一下解释：在发送时，当一个新数据将被发送且数据寄存器还未被写入新的数据时，BTF
   标志位置
   1，这个意思就是，当前的移位寄存器已经移完了，该找数据寄存器要下一个数据了，但是一看，数据寄存器没有数据，这就说明主机不想发了，这时就代表字节发送结束，是时候停止了。所以当检测到
   EV8_2 时，就可以产生终止条件了

停止条件P： 控制寄存器 CR1 中有一位 STOP，写 1，就会在当前字节传输，或在当前起始条件发出后产生停止条件

接收数据，当前地址读

想要指定地址读的时序需要自己拼接

这里有 7 位主接收和 10 位主接收，从这个 7 位主接收的时序看，这里时序的流程是：起始，从机地址+读，接收应答，然后就是，接收数据，发送应答，接收数据，发送应答，最后一个数据，给非应答，之后终止。可以看出，这个时序应该是当前地址读的时序，指定地址读的复合格式，这里没有给，得需要我们自己组合一下，然后下面 10 位地址的当前地址读就复杂一些了。这里是，起始，发送帧头，这个帧头里的读写位，应该还是写的，因为后面还要跟着发送第二个字节的地址，之后继续发送第二个字节的 8 位地址，这样才能进行寻址，然后要想转入读的时序，必须再发送重复起始条件，发送帧头，这次帧头的读写位就是读的了，因为发送读的指令之后，必须要立刻转入读的时序，所以这第二个字节的地址就没有了，直接转入接收数据的时序，这是 10 位地址的操作流程，稍微复杂一些，当然我们主要还是看 7 位地址的就行。

首先写入控制寄存器的 START 位，产生起始条件，然后等待 EV5 事件，下面解释和刚才一样，EV5 事件就代表起始条件已发送，之后是寻址，接收应答，结束后产生 EV6 事件，下面的解释也和刚才一样，EV6 事件代表，寻址已完成，之后数据 1 这一块，代表数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6_1 事件，下面解释是没有对应的事件标志，只适于接收 1 个字节的情况，这个 EV6_1，可以看到，数据 1 其实还正在移位，还没收到呢，所以这个事件就没有标志位。之后当这个时序单元完成时，硬件会自动根据我们的配置，把应答位发送出去，如何配置是否要给应答呢？也是看手册，控制寄存器 CR1 里，这里有一位 ACK，应答使能，如果写 1，在接收到一个字节后就返回一个应答，写 0，就是不给应答，这就是应答位的配置。

之后继续，当这个时序单元结束后，就说明移位寄存器就已经成功移入一个字节的数据 1 了，这时，移入的一个字节就整体转移到数据寄存器，同时置 RxNE 标志位，表示数据寄存器非空，也就是收到了一个字节的数据，这个状态就是 EV7 事件。下面解释是，RxNE = 1，数据寄存器非空，读 DR 寄存器清除该事件，也就是，收到数据了，当我们把数据读走之后，这个事件就没有了，上面这里，EV7 事件没有了，说明此时数据 1 被读走了，当然数据 1 还没读走的时候，数据 2 就可以字节移入移位寄存器了，之后数据 2 移位完成，收到数据 2，产生 EV7 事件，读走数据 2，EV7 事件没有了。

然后按照这个流程，就可以一直接收数据了，最后，当我们不需要继续接收时，需要在最后一个时序单元发生时，提前把刚才说的应答位控制寄存器 ACK 置 0，并且设置终止条件请求，这就是 EV7_1 事件，下面解释，和 EV7 一样，后面加了一句，设置 ACK = 0 和 STOP 请求，也就是我们想要结束了。之后，在这个时序完成后，由于设置了 ACK = 0，所以这里就会给出非应答，最后由于设置 STOP 位，所以产生终止条件。

SCL占空比
i2c的输出模式规定开漏输出，所以输出低电平时是强下拉，一瞬间就降到了低电平。输出高电平时是通过弱上拉电阻拉上去的，会需要一点点时间才能升到高电平

在i2c协议下，设备是在低电平期间变化数据，高电平读取数据。而数据变化需要一定时间来翻转SDA的波形，尤其在数据上升沿期间变化比较慢，所以在SCL频率较高的情况下需要给SCL的低电平更多的时间来保证SDA的波形变化完成

i2c规定SCL的频率超过100KHz就算快速传输，需要调节占空比了