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STM32 IIC通信

article 2025/3/31 13:15:58

目录

  • IIC简介
  • 硬件电路连接
  • I2C时序基本单元
  • IIC完整数据帧
  • MPU6050封装
  • 硬件IIC
    • 内部电路

IIC简介

IIC（Inter-Integrated Circuit）是 IIC Bus 简称，中文叫集成电路总线。它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。自2006年10月1日起，使用I²C协议已经不需要支付专利费，但制造商仍然需要付费以获取I²C从属设备地址。
  IIC使用两根信号线进行通信：一根时钟线SCL，一根数据线SDA。IIC将SCL处于高时SDA拉低的动作作为开始信号，SCL处于高时SDA拉高的动作作为结束信号；传输数据时，SDA在SCL低电平时改变数据，在SCL高电平时保持数据，每个SCL脉冲的高电平传递1位数据。

IIC通信时一种同步，半双工的通信协议，带数据应答，支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）。

也正是因为IIC是一种同步时序，所有我们可以软件模拟，串口通信就是一种异步时序，对时序要求很严格，所有我们不能模拟，需要硬件短路来实现才会精准收发数据。

硬件电路连接

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

在这里插入图片描述
任何时候都是主机完全掌控SCL线，只有从机应答和从机发送的时候才会获得SDA的掌控权。
IIC的设计禁止所有设备输出强上拉的高电平。采用外置弱上拉的电阻加开漏输出的电路结构。这么做的原因也是为了防止主机在结束的时候释放SDA即拉高然后从机立刻拉低响应造成的短路。这个模式也存在“线与”的特性，只要有输出低，那么最后就输出低，所有输出高才输出高。
CPU和被控IC都是上图右边的结构。开漏输出没有强上拉，只有强下拉，当输出高电平的时候，下管断开，不输出低，处于浮空状态，此时就由上拉电阻拉高。

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

在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述

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）。
在这里插入图片描述
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，从机控制，从机拉低就是从机发送应答）

IIC完整数据帧

IIC的完成数据帧包括指定地址写，当前地址读，指定地址读
IIC是一主多从的通信协议，所以如果要和某个从机进行通信必须选中某个从机，所以每个从机就需要一个地址。主机在起始条件后需要先发送一个字节，所有从机都会收到一个字节和自己的地址比较。如果和自己的地址就响应主机的操作，所有同一个IIC总线必须挂载不一样的地址设备。从机设备地址在IIC协议标准种分为七位和十位，七位的比较简单应用也比较广泛。在出厂的时候，厂商就会为他分配一个七位的地址，在芯片手册中都能找到。如果有相同的地址芯片挂在在总线上就需要使用地址的可变部分，一般都是地址的后面一位或者几位。

一个完整的数据帧在起始条件开始，结束条件结束。
指定地址写：
在起始条件后就要跟一个从机地址+写标志位，然后从机发送应答。然后发送指定的地址，然后从机再次应答。

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）。
当前地址指针上电默认是0，但是当我们指定地址写后，然后当前地址读，就是在写的下一位进行读取操作。
指定地址读：
我们使用指定地址写的指定地址时序，但是不写入，此时当前地址指针就不会加一。然后再调用当前地址读的时序，然后就是指定地址读了。我们可以在指定地址读前面加一个结束条件，然后再次发送起始条件，在当前地址读。但是IIC协议官方规定的符合格式是一整个数据帧，就是先起始，再重复起始（在指定地址写的时序后面再加一个起始条件），然后发当前地址读，最后结束了再发送结束条件。

当读取完数据不想再读取了，就需要主机发送非应答，此时从机知道主机不想再接收了，就会释放总线，交还给从机。

MPU6050封装

软件IIC配置：
总体操作：
1.初始化GPIO，包括打开时钟，配置结构体，初始化选用的引脚
2.配置IIC开始函数
3.配置IIC结束函数
4.配置IIC发送一个字节函数
5.配置IIC接收一个字节函数
6.配置IIC发送应答函数
7.配置IIC接收应答函数
具体操作：
1.初始化GPIO，例如，选用Pin10为SCL线，Pin11为SDA线，配置IIC的GPIO为开漏输出

void MyI2C_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;
	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);
}

1.IIC不论是SDA还是SCL都只有高低两种状态，所有使用时就是把GPIO电平配置为高或者低
例如：

	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_10,1);
	Delay_us(10);
	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_11,1);
	Delay_us(10);

延时10微秒为操作时间，实测不延时也可以。
每次都配置GPIO不仅麻烦还不明了
所以就把GPIO封装起来

void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_10,(BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}//对SCL线封装，便于操作，控制时钟线
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_11,(BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}//对SDA线封装，便于操作，发送主机值
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11);
	Delay_us(10);
	return BitValue; 
}//对SDA线封装，便于操作，读取从机发送的值

封装完以后便可以很简单的配置后面的函数
2.配置开始函数
IIC开启需要在SCL为高的时候拉低SDA，这样为开启IIC信号，从机便知道，IIC开启，主机要发送或者接收数据了

void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);
	/*最好先拉高SDA确定，简要原因在最后面的读MPU6050的注释里面有简要说明，
	这样只是一个以防外一，个人感觉不是特别重要*/
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);//拉低SDA后再把SCL拉低，便可以进行数据传送

3.配置结束函数 IIC结束需要在SCL为高的时候拉高SDA，这样为关闭IIC信号，从机便知道，IIC关闭，主机要结束发送或者接收数据了，实际上，在配置的IIC函数里面，只有结束函数里面SCL以高结束，其他的都为低，这样方便两个函数衔接。

void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);//先拉低SDA确保待会可以产生上升沿
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}

4.配置主机发送函数
主机在SCL低的时候只会发送一位，从机在SCL为高的时候一次也只接收一位，每次都是一位一位进行的

void MyI2C_SentByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte&(0x80>>i));
		MyI2C_W_SCL(1);
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}

一次发送八位数据也就是一个字节的数据，所以在for循环里面循环8次
在8次数据发送完以后，主机需要释放SDA，这时从机会自己占据SDA线给主机发送应答后面写的主机的接收应答就会主动去释放SDA（所有的发送和接收都是相对主机而言的）
5.配置主机接收函数

uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)//主机接收时，从机在时钟线拉低的时候只会发送一位数据
{
	uint8_t i,Byte=0x00;
	MyI2C_W_SDA(1);
	for(i=0;i<8;i++)
	{ 
		MyI2C_W_SCL(1);
		if(MyI2C_R_SDA()==1){Byte |= (0x80>>i);}//高位先行，所以右移
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}

主机接收的数据要处理，所以要用变量存起来，发送的数据从机会自动处理
６.配置IIC发送应答

void MyI2C_SentAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);//当发送完一个数据以后，SCL本身就是低的，所以前面不需要再给SCL低了
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SCL(0);
}

发送应答是主机接收了一个数据以后发送个主机的应答，SDA拉高，相当于主机发送1，为非应答，不需要再接收数据时就要发非应答，需要接收数据时，就在SDA拉低，为应答。从机发送完一个字节数据以后，会自动释放SDA，此时主机应占据SDA，从机便会去读取SDA的值，接收主机的应答（应答信号在第9个时钟周期出现，这时发送器必须在这一时钟位上释放数据线，由接收设备拉低SDA电平来产生应答信号或非应答信号）
７.配置IIC接收应答

uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;
	MyI2C_W_SDA(1);//主机主动空出SDA，从机会立刻占据，发送应答或者非应答信号
	MyI2C_W_SCL(1);//SCL拉高以后，主机便可以去读取从机给的信号
	AckBit=MyI2C_R_SDA();
	MyI2C_W_SCL(0);//此时从机放手SDA
	return AckBit;
}

在主机发送完数据以后，主机应空出SDA线，此时从机会产生应答或者非应答，因为是软件模拟IIC所以可以选择读取也可以不去读取，选择读取便可以根据读取的值判断下一步要不要再继续操作。因为一个时钟信号只进行一位传输，所以从机检测到电平变化以后如果接下来还是主机操作便不在占据SDA。

以上便是软件IIC的所有配置

以MPU6050为例，演示IIC的进行
MPU6050初始化即IIC初始化
如果要给MPU6050写一个字节的数据：

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	MyI2C_Start();//打开IIC通信
	MyI2C_SentByte(0xD0);//选中 MPU6050，最后一位为0为写操作
	MyI2C_ReceiveAck();//从机发送应答，主机要接收应答
	MyI2C_SentByte(RegAddress);//主机继续发送要写的寄存器地址
	MyI2C_ReceiveAck();//主机接收从机的应答
	MyI2C_SentByte(Data);//主机发送要写的数据
	MyI2C_ReceiveAck();//主机接收从机的应答
	MyI2C_Stop();//停止IIC通信SDA与SCL都为高
}

IIC开始以后，第一次发送的是硬件的地址，每一个硬件都有一个地址，出厂的时候写好的，发送的数据前七位为地址，最后一位为读写位，0为写，1为读。
如果要读MPU6050一个字节的数据：

uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)//读指定寄存器
{
	uint8_t Data;//接收读出数据的变量
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SentByte(0xD0);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SentByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();//前面几步确定地址
	MyI2C_Start();
	/*Start里面先SDA置1就是这里在上一步SCL为0的时候赶快为高然后重新开始，
	避免还没为高的时候SCL已经拉高了。
	如果SDA还没为高的时候SCL已经拉高了，这样再产生下降沿之前产生的就是上升沿了，就是停止的意思了。
	但是接收应答后，从机释放SDA，此时SDA就是高主机没有进行操作，SDA一直为高，所以个人感觉不重要*/
	MyI2C_SentByte(0xD1);//对指定地址进行读
	MyI2C_ReceiveAck();//从机要回应这个指令
	Data=MyI2C_ReceiveByte();//从机把指定地址的数据通过SDA线发出来
	MyI2C_SentAck(1);//主机回应1表示不给应答，从机便会结束发送
	MyI2C_Stop();//结束通信
	return Data;
}

因为无法直接指定寄存器读，但可以指定寄存器写，指定的地址指针在下一次操作前不变，所以指定地址写，然后什么都不写，重新开始读，便可以指定地址读。

再MPU5050手册中，刚上电时是睡眠模式，无法写入，只能读出。所有需要解除睡眠模式，此时就需要0x6B上写，0x6B地址是电源管理寄存器1，其中SLEEP位控制睡眠模式，在这个寄存器写入0x00，这样就能解除睡眠模式了。

在真正使用MPU6050之前还需要根据手册初始化一下，比如电源管理寄存器，时钟，陀螺仪，加速度计等各种寄存器。

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H

#define SMPLRT_DIV         0x19
#define CONFIG             0x1A
#define GYRO_CONFIG        0x1B
#define ACCEL_CONFIG       0x1C
#define ACCEL_XOUT_H       0x3B
#define ACCEL_XOUT_L       0x3C
#define ACCEL_YOUT_H       0x3D
#define ACCEL_YOUT_L       0x3E
#define ACCEL_ZOUT_H       0x3F
#define ACCEL_ZOUT_L       0x40
#define TEMP_OUT_H         0x41
#define TEMP_OUT_L         0x42
#define GYRO_XOUT_H        0x43
#define GYRO_XOUT_L        0x44
#define GYRO_YOUT_H        0x45
#define GYRO_YOUT_L        0x46
#define GYRO_ZOUT_H        0x47
#define GYRO_ZOUT_L        0x48
#define PWR_MGMT_1         0x6B
#define PWR_MGMT_2         0x6C
#define WHO_AM_I           0x75
extern uint8_t AccX,AccY,AccZ,GyroX,GyroY,GyroZ;
#endif


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;
	DataH=MPU6050_ReadReg(ACCEL_XOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(ACCEL_XOUT_L);
	*AccX=(DataH<<8)|DataL;
	DataH=MPU6050_ReadReg(ACCEL_YOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(ACCEL_YOUT_L);
	*AccY=(DataH<<8)|DataL;
	DataH=MPU6050_ReadReg(ACCEL_ZOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(ACCEL_ZOUT_L);
	*AccZ=(DataH<<8)|DataL;
	DataH=MPU6050_ReadReg(GYRO_XOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(GYRO_XOUT_L);
	*GyroX=(DataH<<8)|DataL;
	DataH=MPU6050_ReadReg(GYRO_YOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(GYRO_YOUT_L);
	*GyroY=(DataH<<8)|DataL;
	DataH=MPU6050_ReadReg(GYRO_ZOUT_H);
	DataL=MPU6050_ReadReg(GYRO_ZOUT_L);
	*GyroZ=(DataH<<8)|DataL;
}

void MPU6050_Init(void)
{
	MyI2C_Init();
	MPU6050_WriteReg(PWR_MGMT_1,0x01);//电源管理1
	MPU6050_WriteReg(PWR_MGMT_2,0x00);//电源管理2
	MPU6050_WriteReg(SMPLRT_DIV,0x09);//采样率分频，10分频
	MPU6050_WriteReg(CONFIG,0x06);//外部同步（不需要）与低通滤波
	MPU6050_WriteReg(GYRO_CONFIG,0x18);//陀螺仪配置寄存器
	MPU6050_WriteReg(ACCEL_CONFIG,0x18);//加速度计
}

硬件IIC

由于IIC是同步时序，所以软件模拟II从时序，灵活且方便，用的范围比较广。
STM32内部集成了硬件IIC的电路，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，用库函数封装好，直接读取寄存器即可。减轻CPU的负担。
比如：

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

引脚映射：
C8T6的IIC2映射的PB10为SCL，PB11为SDA。IIC1的SCL为PB6，SDA为PB7。

内部电路

在这里插入图片描述

上半部分是SDA，数据控制部分。数据收发的核心部分是上面的数据寄存器和数据移位寄存器。当需要发送数据时，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，DR中的值就会转到移位寄存器中。在移位的过程中，可以直接把下一个数据放到数据寄存器中等着。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。
接收的过程也是这样，输入的数据先放进移位寄存器，当一个字节后，数据从移位寄存器转入DR。同时置标志位RXNE，表示接收寄存器非空。此时就可以将数据从数据寄存器读出来了。
对于起始条件，终止条件，应答位什么的都由数据控制电路完成。


http://www.kler.cn/a/613683.html

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