代码收藏家技术教程 2024-02-03

STM32 I2C通信详解及应用示例

通信协议见（STM32——SPI）

一、I2C协议

1.1 I2C协议介绍；

I2C是（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线；

有多根通信线；

一根SDA（串行通信线）；

一根SCL（串行时钟线）；

共地GND；

VCC电源线；

同步半双工；

支持总线挂载多设备（一主多从，多主多从）；

带数据应答（主机接收一个数据后，会返回应答位，告诉从机是否接收到了数据）；

1.2 I2C协议对硬件的规定；

所有设备的SDA连接在一起，SCL连接在一起，GND连接在一起，如果从设备没有单独供电，还需要外接电源VCC；

主机对SCL时钟线具有绝对的控制权，从机只能输入，不能控制时钟线,此时SCL可以配置为推挽输出；

但是SDA主机和从机即可以输入也可以输出，为了避免主机输出同时，从机也输出，形成短路，I2C设计中是禁止所有设备输出强上拉的高电平；

采样外接弱上拉电阻加开漏输出的模式；（阻值一般为4.7千欧）；

结构图如下：

原理：设计为开漏模式，此时输入时，直接经过斯密特触发器整流任何时刻都可以输入，输出时，经过开漏设计，低电平导通，为拉下状态低电平，高电平截至处于浮空状态，引脚电平外接上拉电阻弱上拉为高电平；

设计的优点：

作用：

1.避免电路出现短路现象；

2.避免频繁切换引脚模式；

3.线与：一个或者多个输出低电平，呈现低电平，只有全部都输出高电平才输出高电平；执行多主机下的时钟同步和总线仲裁；

过程：当I2C处于空闲状态时，SCL和SDA均由外挂的电阻，拉高至高电平；总线处于高电平状态；当总线需要传输数据时候，SCL保持不变，将SDA从高电平转换为低电平，产生一个下降沿，当从机检测到SCL高电平，SDA下降沿时候，会复位，进入就绪状态；在SDA下降沿后，SCL也从高电平到低电平，一方面占用这个总线，同时拼接单元，完成后传输后，SCL回弹到高电平，产生上升沿后，SDA也回弹到高电平，从机检测后，进入终止；终止后俩个都处于高电平，恢复到平静状态；

1.3 I2C协议对软件的规定；

1.3.1时序单元:

由起始条件，传输字节，应答位，终止条件组成；

起始条件：标志着一个数据帧的开始，SCL高电平的时候,SDA由高电平变成低电平产生下降沿；

终止条件：标志着一个数据帧的间隔，SLC高电平的时候,SDA由低电平转换为高电平产生上升沿；

传输字节：发送一个字节，接收一个字节；

发送一个字节;

分析:SCL高电平期间，SDA由高电平变成低电平，产生下降沿，触发起始条件，之后再SCL低电平时，主机将数据首位放在SDA上，在SCL高电平时，从机从SDA进行采样（读取数据），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；

接收一个字节时序：

分析：SCL高电平期间，SDA由高电平变成低电平，产生下降沿，触发起始条件，之后再SCL低电平时，从机机将数据首位放在SDA上，在SCL高电平时，主机从SDA进行采样（读取数据），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；主机在接受前，需要先释放总线(需要先使总线恢复到空闲状态，然后从机才能拿到掌控权);

发送和接收一个应答位时序：

分析：

发送一个应答位：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；

接收一个应答位：主机发送完数据后，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）；

一个完整的时序过程：

I2C一主多从的模型，主机可以访问总线上的任何一个设备，通过地址来确定是哪个设备，首先将每个从机确定一个唯一的设备地址，主机在起始条件后，发送一个字节，从机匹配，响应主机，在同一个I2C总线上，从机的地址必须不同；

从机地址在I2C中分为7位和10位地址；

每个芯片在出厂时候，都会设置一个同类型芯片相同，不同类型芯片不同的7位地址；如果在一个I2C总线上接相同的芯片，此时可以根据芯片的最后几位地址，即可变地址，

根据引脚改变，例如高电平则位1101 0000 低电平位1010 0000；

1.3.2示波器时序分析：

时序1：指定地址写

对于指定设备（从机地址），在指定地址（设备内部寄存器地址）下，写入指定数据；

首先产生起始条件，然后发送一个地址字节（七位或者十位基地址，如果是十位需要发送两个字节第一个字节由5位表示十位基地址的标识+3位地址位，第二字节为剩余7位地址位+一位读写标志位，选择从设备和读写方式），发送一位应答位，之后发送设备内部寄存器地址，然后一位应答位，之后发送有效数据位，如果要连续发送数据位，在指定地址下，连续依次向后写入，就依次发送数据，直到数据位发送完毕后，发送一位应答位，最后发送终止条件；

（因为寄存器是在线系空间连续存放的，通过指针进行操作，所以每次读写后，指针自动++，指向下一位地址，要连续操作几位，就可以找到指定地址后，通过连续写入字节即可）

过程：首先处于平稳状态下，SCL和SDA都是处于高电平，主机需要给从机写入数据时候，在SLC高电平期间，拉低SDA，产生起始条件，随后紧跟的时序，必须是发送一个字节的时序，内容必须是7位从机地址加1位读写位；拉低SCL，产生下降沿，主机开始输出数据，SCL低电平时候，主机将数据位依次放在SDA上（高位先行），然后SCL拉高，从机读取SDA上的数据位，读取过程中即SCL高电平期间，SDA不允许改变，循环八次得到的结果是：从机地址：1101 000 写操作： 0（读操作1），数据时序结束后，紧跟着是应答时序，主机需要释放SDA，根据协议规定，从机需要在此时立刻拉低SDA，产生一个信号，给主机，主机判断从机是否应答（根据线与的关系主机释放SDA后，从机立刻下拉SDA，所以SDA依旧保持低电平，这个过程就表示了应答）；SCL为高电平时，主机读取数据，判断结果；从机发送完成后，结束对SDA控制，SDA回调至高电平，因为从机要在低电平尽快变化数据，所以SCL下降沿和SDA上升沿同步发送；读写为给的0为写入操作，所以在应答时序完成后，我们立刻要写入一个字节，类似地址发送的方法重复八次（从机可以自己定义第二个字节的用途），重复应答时序，然后在重新重复写入时序，进行应答时序，直到主机结束发送时候，产生停止条件，即先拉带SDA，为后续SDA上升沿做准备，释放SCL，最后释放SDA；形成一个完整的数据帧；

时序2：当前地址读：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））；

首先产生起始条件，之后发送一个地址字节（设备内部地址（7）+读写标志位（1）），之后读出当前指针指示的地址下的数据；

时序3：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）

首先首先产生起始条件，然后发送一个地址字节（七位地址，一位写标志位，选择从设备），发送一位应答位，之后发送设备内部寄存器地址，然后一位应答位，之后重新起始位，再次发送地址字节（七位地址，一位读标志位，选择从设备），在指定地址下，连续依次向后读出；

二、I2C外设；

2.1I2C外设介绍:

I2C外设是STM32内部集成的硬件电路，可以自动执行时钟生成和数据时序的收发，减轻CPU的负担；

硬件自动实现时序，软件只需要写入控制寄存器CR（产生起始条件等），数据寄存器DR（写入读取数据），读取状态寄存器SR（通过标志位判断当前状态）；

支持多主机模式；分为固定多主机和可变多主机；

固定多主机即为主机个数固定，从机个数固定，主机掌控数据总线，从机只能通过主机允许才可以短暂的掌控数据总线，当多个主机同时控制总线使用权时，总线进行仲裁，胜利的一方获得总线使用权；

可变多主机，I2C总线上挂在多个设备，没有固定的主机和从机，任何一个设备都可以在总线空闲的时候作为主机，然后指定其他设备进行通信，当通信完成后，主机又变成从机，当多个设备同时申请时，总线进行仲裁，胜利的一方获得总线使用权；

支持7位/10位地址模式；

A.7位地址，起始条件后，第一个时序是必须是寻址+读写位，主机想要通信的从机的七位地址+一位读写位；

B.十位地址则为起始条件后，第一、二个时序是必须是寻址+读写位，是主机想要通信的从机的十位地址+一位读写位，此时俩个时序为15位+读写位共16位，15位由5位的十位地址标志位帧头11110+十位地址组成；

*并且同一个厂商生成的同一种芯片的I2C外挂地址是相同的，如果要在一条I2C总线上挂载俩个相同地址的芯片，可以通过配置芯片的可变地址，即地址的最低位，来配置不同的地址，在一条I2C总线上，不能有相同的地址；

支持不同的通信速度，标准速度（高达100khz），快速（400KHZ）；

作为同步时序，只需要不超过最大值即可；

支持DMA；

在多字节操作时候，可以提高效率；

兼容SMbus（系统管理总线）协议；包括CRC码的生成和校验、SMBus(系统管理总线—System Management Bus)和PMBus(电源管理总线—Power Management Bus)主要用于电源管理系统中；。

2.2 I2C外设的结构图；

分析：I2C外设引脚都是通过复用GPIO实现的，具体参考映射表；

数据接收与发送：

数据控制：通过数据控制，控制数据的接收发送，

接收一个数据：当接收一个数据时候，数据一位一位的从SDA输入到移位寄存器中，高位先行

，一位一位的放入数据寄存器中，当一个字节数据接收完毕后，移位寄存器的值会被移入RDR

数据寄存器中,并置标志位RXNE为1，接收寄存器非空，此时可以读取寄存器，获取寄存器中的值；

发送一个数据：把要发送的数据写入数据寄存器TDR中，当移位寄存器为空时，数据寄存器的值会被立刻移入移位寄存器中，并置标志位TXE为1，发送寄存器空，此时新的数据可以存放在数据寄存器中；

比较器，自身地址寄存器和双地址寄存器作用是，当STM32作为从机的时候，即可变多主机模式下，STM32也是可以作为从机与其他主机通信，此时STM32的从机地址通过自身的地址寄存器来配置，当主机通信时，通过比较器判断是否相同，选择是否响应通信；并且支持同时响应俩个从机地址；

帧错误校验计算：I2C自带数据校验；

时钟控制：通过配置时钟控制寄存器，控制时钟控制电路，控制SCL输出的时钟频率；

控制逻辑电路：

中断：当内部某些标志位置1时，可以开启中断执行一些事件；

DMA：可以开启DMA通道转运数据；

通过配置控制寄存器CR1和CR2，实现控制；

通过读取状态寄存器SR1和SR2读取状态，例如TXE,RXNE位；

SMBALERT：

总功能图：

2.3 I2C外设的实现过程；

配置过程：

1.RCC开始GPIO和SPI时钟；

2.初始化GPIO，配置为开漏输出和上拉输入模式；

3.初始化I2C，配置I2C‘

4.使能CMDI2C；

2.4 时序图

主机发送：

过程分析:

起始条件S+寻址+读写标志+数据1+数据2+….+数据N+终止条件p（数据后包括A响应）；

首先：初始化后，总线处于空闲状态，STM32默认为从模式，产生起始条件，写入控制寄存器，STM32又从模式转换为主模式，发送EV5事件，即是否产生标志位，产生标志位后即起始条件产生完成，在数据寄存器中写入一个字节的从机地址，数据寄存器转到移位寄存器中，再把这个字节发送到I2C总线上，并硬件自动判断是否应答，可以产生中断标志位，寻址完成后，发送EV6事件，表示地址发送结束，EV6结束，发生EV8_1事件，TXE移位寄存器空，数据寄存器空，此时可以写入数据，写入数据可以因为移位寄存器也为空，此时数据寄存器立马转移数据到移位寄存器，并产生事件EV8，数据寄存器空，移位寄存器非空，TXE=1,数据1时序产生，写入DR清除该事件，接收应答为结束后，然后移位寄存器空，数据寄存器立马转移数据到移位寄存器，并产生事件EV8，一直重复上述过程，直达没有新的数据发送，此时当前移位寄存器完成时，数据寄存器空，移位寄存器也为空，此时事件为EV8_2,标志位TXE1，BTF字节发送结束；

主机接收：

过程：

首先写入控制寄存器DR，S位，产生起始条件S，然后进入EV5事件，表示起始条件已发送，之后寻址，应答，产生EV6事件，代表寻址已完成，数据1代表数据正通过移位寄存器进行输入，EV6_1事件，只适用于接收一个字节接收，接收后，硬件自动发送应答位，当时序结束后，表示移入的一个字节已转移到数据寄存器了，产生EV7事件，即收到了数据，当把数据读走后，该位清除，从重复进行，当不需要接收时候，需要在最后一个时序单元发送时，提前把应答位控制寄存器ACK置0，并设置终止条件请求,即EV7_1事件，完成后给出非应答，产生终止事件P；

五、API实现；

5.1软件模拟I2C实现对MPU的控制；

5.1.1程序规划:
首先明确想实现的功能:通过封装GPIO通信引脚，模拟I2C时序，实现读写MPU；根据功能将程序主要分为三部分：通信层（底层），驱动层（上层），应用层（main）

5.1.1.1建立I2C通信层模块（底层）:
1.主要对通信引脚的封装，初始化（GPIO初始化，引脚电平变化封装）；

2.以及I2C的三个时序组成部分：起始，终止，交换字节；

5.1.1.2硬件驱动层（上层）
基于I2C通信层模块建立MPU6050模块，在这个模块里调用底层的拼图，组成完整的时序（写使能，擦除，页编程，读数据等）

5.1.1.3应用层
mian函数里调用驱动层函数，实现功能；

5.1.2模块封装

首先建立模块，MYI2C,MPU6050模块对应.c,.h文件，并且包含在文件中，完成基础配置（参考STM32_程序建立）

首先编写第一个模块，I2C底层通信：主要实现功能，初始化GPIO，配置GPIO引脚为开漏输出模式，封装通信引脚，配置时序单元（拼图）；

功能:RCC开启GPIOB时钟，初始化GPIOB，配置PB10,11为开漏输出模式，模拟I2C输出，空闲状态下SDA和SCL为高电平（外接电阻上拉至高电平）；

参数:无：

返回值:无：

封装通信引脚：

功能：将PB10引脚封装成通信引脚SCL，通过改变PB10的电平，实现模拟I2C输出；

说明:在SMT32主频高，变化快，要求在SCL电平变化时，立刻读走数据，I2C对读取速率有要求，太快无法读取，所以加入延时函数；

参数：高低电平0/1；

返回值：无

功能：将PB11引脚封装成通信引脚SDA，通过改变PB11的电平，实现模拟I2C输出；

参数：高低电平0/1；

返回值：

功能：将PB11引脚封装成通信引脚SDA，通过读取PB11的电平，实现模拟接收从机输入；

参数：无；

返回值：接收到的值；

时序单元:起始条件，终止条件，发送应答位，接收应答位，发送一个字节的数据，接收一个字节的数据；

功能：产生起始条件（空闲条件下，SCL和SDA均为高电平，在SCL高电平时候，SDA由高电平转变为低电平，之后在拉低SCL），标志着时序的开始；

说明:*先将释放SDA,在释放SCL，确保在重复起始条件时，不出错；如果先置SCL高电平，在置SDA高电平，会判断为终止条件；

参数：无

返回值：无

终止条件时序

功能：标志着数据帧的结束/间隔;

说明:（发送数据或者接受数据的最后一位是SCL低电平的时候放在SDA上，高电平时从SDA上读出，之后发送完毕，SCL变为低电平，但是SDA不确定，在此之前需要将SDA先置低电平，能够产生上升沿，之后在SCL高电平时候，SDA由低电平转变为高电平），标志着时序的开始；

参数：无；

返回值：无；

发送一个字节时序

功能：实现主机发送一个字节;

说明:在SCL低电平的时，主机把字节的一位放在SDA上，在SCL高电平时候，从机读取SDA上的数据，起始条件后，SDA为低电平，所以直接放入数据，之后拉高SCL，从机从SDA上读取数据，之后拉低SCL主机放入下一位数据；

参数：要发送的字节；

返回值：无；

接收一个字节的时序：

功能：接收一个字节的时序;

说明:先将释放SDA相当于切换为输入模式，通过低电平写，高电平读，实现读写分离，进来之后SCL是低电平，主机释放SDA，从机把数据放在SDA上，SCL切换为高电平，主机从SDA上读取数据，之后拉低SCL，从机放入下一位数据；

参数：无；

返回值：接收到的数据；

发送应答位

功能：主机发送应答位;

说明:SCL低电平时，主机写入SDA，SCL高电平时,从机接收SDA上的数据，开始SCL低电平，主机放入数据SDA上，随后拉低SCL，从机读取SDA，之后在拉低SCL，写入下一个数据；

参数：发送的应答位；

返回值：无；

接收应答位

功能：从机发送应答位

说明:首先释放SDA，SCL低电平时，从机写入SDA，SCL高电平时,主机接收SDA上的数据，开始SCL低电平，从机放入数据SDA上，随后拉低SCL，主机读取SDA，之后在拉低SCL，写入下一个数据；

参数：无；

返回值：接收的值；

在.H文件中声明：

第一个模块底层通信层封装完成；

下面封装第二个模块硬件驱动层（上层），将底层的时序单元，拼接成一个完整的时序，实现功能；

指定地址写：

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

说明:首先是产生起始条件，触发起始条件后，主机发送的第一个字节是寻址（发送从设地址，选择通信的目标），第二个字节是从设置的寄存器地址，第三个字节是要发送的数据，每次发送后，接收从机的应答位，最后终止条件，时序接收；

参数：1.从设备的寄存器地址；

2.发送的数据；

返回值：无；

指定地址读：

功能：对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）（Data）

说明:在通过指针对指定地址进行读写操作的，所以先通过在指定地址写，将指针指向我们需要的地址，所以先重复在指定地址写的，首先是产生起始条件，触发起始条件后，主机发送的第一个字节是寻址（发送从设地址，选择通信的目标），第二个字节是从设置的寄存器地址，之后重复起始条件，寻址时，将在指定地址写，改为在指定地址读，通过|，修改最后一位为读；然后直接读取数据，再把发送应答位为1，表示非应答，从机将不会在发送数据；

如果要进阶连续读取多个数据，则将重复读取数据，发送应答位写0，直到最后一位不再需要读取，发送应答位写1；

参数：1.从设备的寄存器地址；

返回值：读到的数据；

如果要进阶连续读取多个数据，则将重复读取数据，发送应答位写0，直到最后一位不再需要读取，发送应答位写1；

读取寄存器不同的位置，获取的内容，参考手册；

要想写入寄存器，首先要解除芯片的睡眠模式，通过写入电源管理寄存器1；

初始化MPU6050

功能：初始化

说明:在初始化之后，要写入一些寄存器，对MP6050硬件电路进行初始化配置；初始化完成后，MPU内部就会进行连续不断的数据转换，输出的数据保存在数据寄存器中；

参数：无;

功能：无；

（使用宏定义修改，这样不用频繁的查看手册，而且直接写入数字，可读性不高）

获取数据寄存器的值：

功能：获取数据寄存器的值，获取XYZ对应的加速度值和陀螺仪值；

说明:定义俩个变量，先读取陀螺仪X轴的高八位，在读取陀螺仪x轴的低八位，再把他们|在一起，的、得到16位数据后，在用指针传递进来的地址，把读到的数据，通过指针返回回去；

参数：无;

功能：返回6个16位的值，分别代表XYZ的加速度值和陀螺仪值；

*因为函数正常只能返回一个返回值，这里需要六个返回值，多返回值的方法：1在函数外定义六个全局变量，子函数读到的数据直接写道全局变量里，六个全局变量在主函数中共享，相当于返回六个值；

2.用指针，进行变量的地址传递，来实现多返回值；

3.用结构体对多个变量进行打包；

使用第二种方法：定义六个指针变量，之后在主函数中定义变量；通过指针，把主函数变量的地址传递到子函数来，子函数通过传递过来的地址，操作主函数的变量，这样子函数结束后，主函数里的变量的值就是子函数想要返回的值；

为什么读取的值是16位——>因为是通过ADC采集电压值，所以是16位（详细可见MPU6050;）

因为接收值是16的，所以八位数据会进行自动强制类型转换，所以左移八位不会出错

因为这些寄存器是连续的，我们可以通过连续读取多个字节，一次性读取14个字节加速度，陀螺仪XYZ数据+两位温度；

在.H文件中声明

测试显示：

根据在MPU6050介绍的模型：1943/32768=x/16g；x大约为1g，测得Z轴加速度值为1g

加速度计模型，我们选择最大量程16g,测得数据是1945，1945/32768

陀螺仪：测得数据/32768=x/16（满量程）；

5.2硬件SPI实现对MPU的控制；

将软件改成硬件实现，只需要更改底层通信层代码的操作，驱动层不需要修改，因为他们是调用底层通信函数来实现功能的，这就是代码隔离封装的好处；

主要实现步骤:1.RCC开启GPIO和I2C的时钟；

2.初始化GPIO，将引脚配置成开漏输出；

3.初始化I2C外设；

4.生成时序单元；

5.使能12C；

首先查看库函数：

通过结构体初始化12C；

生成时序:起始条件:查看手册通过配置CR1寄存器的START位；

产生终止条件：

产生应答位：

发送一个字节：

接收一个字节：

发送7位地址：

如果不是写入操作，就把Address最低为置0，否则就置1；（可以用代替函数代替）

查看标志位状态监控：

分为三种：1基本状态监控,同时判断一个或者多个标志位，确定那几个EVEN发生；

2高级状态监控；（把SR1和SR2两个状态寄存器拼接为16的值输出）

3.基于标志位的监控状态；判断某一个标志位；

读取标志位，清除标志位，读取中断标志位，清除中断标志位；

1.RCC开始GPIO和I2C时钟；

2.初始化GPIO，配置输出模式为，AF_OD复用开漏输出，选择引脚PB11和PB10；

3.初始化I2C,配置IC2的应答位，时钟频率，时钟占空比，响应地址位数，I2C作为从设备时的响应地址；

4.使能I2C

因为I2C是低电平，产生下降沿的时候，是强下拉，所以下降沿变化很快，但是输出高电平，是释放，外部上拉电阻产生弱上拉，所以上升沿有一个缓冲，随着时钟频率越来越大，缓冲影响越大，大于100Khz时，我们通过改变占空比，使低电平时间逐渐增多，原因是因为，低电平改变数据，高电平读取数据，数据变化需要一定的时间来翻转波形，所以在快速模式下要给低电平更多的时间，要不低电平来不及数据变化，高电平读取也无效，所以在小于100kHz时，占空比是1：1，大于100kHz时，低电平占空比越来越大；

这就是为什么频率过高的时候,I2C的传输速度会收到限制的原因；

5.时序单元

起始条件：

功能:产生一个起始条件；

参数：无；

返回值：无；