物联网之STM32开发八（I2C总线通信）

STM32-I2C总线通信

内容概要

I2C总线通信原理

三轴加速度传感器mpu6050介绍

I2C通信实例

I2C总线通信原理

内容概要：

I2C总线简介

I2C总线协议

I2C总线读写操作

STM32F0-I2C控制器特性

I2C总线简介：

I2C总线介绍：I2C（Inter-Integrated
Circuit）总线（也称IIC或I2C）是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，期间封装形式少，通信速率高等优点。

I2C总线特征： 

    两条总线线路：一条串行数据SDA，一条串行时钟线SCL来完成数据的传输及外围器件的扩展  

    I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址  

    I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下
可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。  

    I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行单双工的数据传输。

I2C总线物理·拓扑结构：



I2C
总线在物理连接上分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

I2C总线协议：



I2C协议规定:
 总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平。

起始信号：当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件

结束信号：当SCL为高电平而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件



数据传输：

    数据传输以字节为单位 ,
主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，数据在时钟的高电平被采样，一个字节按数据位从高位到低位的顺序进行传输

    主设备在传输有效数据之前 要先指定从设备的地址，一般为7位，然后再发生数据传输的方向位， 0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据

应答信号：

    接收数据的器件在接收到 8bit
数据后，向发送数据的器件发出低电平的应答信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之，由接收数据的器件发出。

I2C总线读写操作：

主设备往从设备写数据：



主设备读从设备数据：



注：当主设备不想接收从设备的数据时，主设备产生一个非应答信号，从设备接收到这个信号之后就停止发送数据。

主设备读从设备的某个寄存器：



STM32F0-I2C控制器特性：

软件模拟I2C时序：由于直接控制 GPIO 引脚电平产生通讯时序时，需要由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。

硬件控制产生I2C时序：STM32 的 I2C 片上外设专门负责实现 I2C
通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理
I2C协议的方式减轻了 CPU 的工作，且使软件设计更加简单。

STM32F0-I2C控制器特性：



I2C的主要特点：

● I2C总线规范 rev03 兼容性：

    － 从机模式和主机模式

    － 多主机功能

    － 标准模式（高达 100kHz ）

    － 快速模式（高达 400kHz ）

    － 超快速模式（高达 1 MHz ）

    － 7 位和 10 位地址模式

    － 软件复位

● 1 字节缓冲带 DMA 功能

STM32F0-I2C控制：



注：STM32F0XX中，PB6或者PB8任意一个可以作为I2C1的SCL，PB7或者PB9任意一个可作为I2C的SDA

I2C的主要特点：

 64KB片上闪存的F0带2个I2C：I2C1和I2C2

 32KB片上闪存的F0只带1个I2C：I2C1

 I2C2比I2C1所支持的功能少些，不具备

     对SMBus的硬件支持

     20mA的驱动能力

     模块双时钟域以及从停止模式唤醒

三轴加速度传感器mpu6050介绍

内容概要：

MPU6050简介

MPU6050特性参数

MPU6050寄存器介绍

MPU6050简介：

MPU-6050 是全球首例 6轴运动处理传感器。它集成了 3 轴 MEMS 陀螺仪，3 轴 MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器
DMP（Digital Motion Processor），可用I2C 接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后还可以通过其 I2C 输出一个 9
轴的信号。MPU-6050 也可以通过其 I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。



三轴加速度测量：



注意：加速度测量计反应的加速向量与当前的受力方向是相反的，如上图，受力方向向左，但是加速度的向量方向为右

陀螺仪：

陀螺仪，是用来测量角速度的，单位为度每秒（deg/s）



一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向。Mpu6050有3个陀螺仪，可测X,Y,Z方向的角速度值

MPU6050的特性参数：



注：加速度最高分辨率算法：因为加速度是由16位的寄存器存放，故 精度 = 加速度测量范围/（2的16次方）  ，分辨率 = 1/精度
，所以当加速测量范围越小，精度越好，分辨率越高。由上图表可知加速度测量范围是 正负2g的时候，由最高分辨率 （2的16次方）/（2-（-2）） = 16384
LSB/g。

MPU6050的寄存器介绍：

POWER MANAGEMENT电源管理寄存器：



SLEEP 该位置 1 ，  MPU-60X0 进入睡眠模式。  

CLKSEL置 0，可选择使用MPU-60X0 默认的内部8M振荡器作为时钟源 

典型设置：

    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x00);//解除休眠状态

SAMPLE RATE DIVIDER 采样频率分频器：



采样频率= 陀螺仪输出频率/ （ 1+SMPLRT_DIV ）

当 DLPF s is disabled （ 0 DLPF_CFG=0 r or 7 7 7 7） ） ，陀螺输出频率 =8kHz ； 

典型设置：

    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_SMPLRT_DIV , 0x07); //陀螺仪采样率，1KHz

CONFIGURATION 低通滤波配置寄存器：



该寄存器配置外部引脚采样，陀螺仪和加速度计的数字低通滤波器。

典型设置：

    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_CONFIG , 0x06); //低通滤波频率，典型值：0x06(带宽5KHz)

GYROSCOPE CONFIGURATION 陀螺仪配置寄存器：





该寄存器是用来触发陀螺仪自检和配置陀螺仪的满量程范围。

典型设置：
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 0x18);
 //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)

ACCELEROMETER CONFIGURATION 加速度配置寄存器：





该寄存器是用来触发加速度计自检和配置加速度计的满量程范围。

典型设置：

    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG , 0x00); //配置加速度传感器工作在 2G 模式，不自检

读取X, Y, Z 三轴加速度的值：





读取X, Y, Z 三轴陀螺仪的值：





读取温度值：



摄氏度的温度可以用寄存器的置这么计算：

    Temperature n in s degrees C =      (TEMP_OUT  Register e Value  as  a
signed  quantity)/340  + 36.53

MPU6050的设备地址：



MPU6050电气原理图：



注：R4未接，AD0直接接到电源上，因此设备地址为110 1001既0x69 

I2C通信实例

利用STM32-I2C总线配置MPU6050，并读取三轴加速度的原始数据

过程如下：







将自己编写的mpu6050.h文件（主要是对mpu6050的一些寄存器地址 宏定义）拷贝到该工程对应的目录下：



新建文件mpu6050.c，然后添加到工程中：








mpu6050.h文件内容如下： #ifndef __MPU6050_H #define __MPU6050_H /* Includes
------------------------------------------------------------------*/
//**************************************** // MPU6050 IIC测试程序 // 功能:
显示加速度计和陀螺仪的16位原始数据 //**************************************** #include <math.h>
//IAR library #include <stdio.h> //IAR library #include <stdint.h> //typedef
unsigned char uchar; typedef unsigned short ushort; //typedef unsigned int
uint; typedef short int16_t; //**************************************** //
定义MPU6050内部地址 //**************************************** #define ADDRESS_Write
SlaveAddress | 0x00 // #define ADDRESS_Read SlaveAddress | 0x01 // #define
PWR_MGMT_1 0x6B //电源管理，典型值：0x00(正常启用) #define SMPLRT_DIV 0x19
//陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz) #define
GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C
//加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x00(不自检，2G，5Hz) #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 WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读) //#define
SlaveAddress //IIC写入时的地址字节数据，+1为读取 #define MPU6050_ADDRESS_AD0_LOW 0x68 //
address pin low (GND), default for InvenSense evaluation board #define
MPU6050_ADDRESS_AD0_HIGH 0x69 // address pin high (VCC) #define SlaveAddress
(MPU6050_ADDRESS_AD0_HIGH<<1) void mpu6050_init(void); void
mpu6050_getaccel(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z); //获取寄存器中三轴加速度的值 void
mpu6050_verify(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z); #endif ​mpu6050.c文件内容如下：
#include"mpu6050.h" #include "i2c.h" #include "usart.h" void mpu6050_init(void)
//STM32F051K8通过I2C初始化mpu6050 { uint8_t temp ; temp = 0x00;
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, PWR_MGMT_1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&temp, 1, 0x10); /*函数功能，向mpu6050的相关寄存器中写入数据。参数一：使用的是哪一个I2C，参数二：
mpu6050的地址（7位）和读写操作标志位（1位），参数三：写到mpu6050内部的哪个寄存器，参数四：要写
的寄存器是多少位（宽度）的，参数五：写入寄存器的值，参数六：写多少个数据，参数七：设置超时*/ temp = 0x07;
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, SMPLRT_DIV, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&temp, 1, 0x10); temp = 0x06; HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, CONFIG,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10); temp = 0x18; HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,
ADDRESS_Write, GYRO_CONFIG, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10); temp = 0x00;
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, ACCEL_CONFIG, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&temp, 1, 0x10); } void mpu6050_getaccel(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z)
//获取寄存器中三轴加速度的值 { uint8_t value[2]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
ACCEL_XOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1,0x10);
/*函数功能：读取mpu6050内部寄存器的值。参数一：使用的是哪一个I2C，参数二：
mpu6050的地址（7位）和读写操作标志位（1位），参数三：要读取mpu6050内部哪一个寄存器的值，参数
四：要读的寄存器是多少位（宽度）的，参数五：存放读取的数值的地址，参数六：读多少个数据，参数七：设 置超时*/ //获取x轴加速度值的低八位
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_XOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&value[1], 1,0x10); //获取x轴加速度值的高八位 *x = (value[1] << 8) + value[0];
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_YOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&value[0], 1,0x10); //获取y轴加速度值的低八位 HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
ACCEL_YOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1,0x10); //获取y轴加速度值的高八位 *y =
(value[1] << 8) + value[0]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
ACCEL_ZOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1,0x10); //获取z轴加速度值的低八位
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_ZOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
&value[1], 1,0x10); //获取z轴加速度值的高八位 *z = (value[1] << 8) + value[0];
printf("acce value: %d %d %d\n",*x,*y,*z); }
 
#include "mpu6050.h" int fputc(int ch,FILE *f){ while((USART1->ISR&(1<<7)) ==
0); USART1->TDR=(uint8_t)ch; return ch; }
main函数中初始化mpu6050 

 
mpu6050_init();//初始化mpu6050 printf("this is mpu6050 test\n");
每隔一秒打印一次mpu6050三轴加速度的值： 


​int16_t x, y, z; mpu6050_getaccel(&x, &y, &z);//获取并打印mpu6050三轴加速度的值
HAL_Delay(1000);
测试结果：



另外可实现读取并打印mpu6050三轴加速度的值（同三轴加速度的值获取和打印方法相同）：


​​void mpu6050_verify(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z)//获取寄存器中三轴角速度的值 {
uint8_t value[2]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
GYRO_XOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1,0x10);
/*函数功能：读取mpu6050内部寄存器的值。参数一：使用的是哪一个I2C，参数二：mpu6050的地址
（7位）和读写操作标志位（1位），参数三：要读取mpu6050内部哪一个寄存器的值，参数四：要读的寄存器是多
少位（宽度）的，参数五：存放读取的数值的地址，参数六：读多少个数据，参数七：设置超时*/ HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,
ADDRESS_Read, GYRO_XOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1,0x10); *x =
(value[1] << 8) + value[0]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
GYRO_YOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1,0x10); HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,
ADDRESS_Read, GYRO_YOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1,0x10); *y =
(value[1] << 8) + value[0]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read,
GYRO_ZOUT_L,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1,0x10); HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,
ADDRESS_Read, GYRO_ZOUT_H,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1,0x10); *z =
(value[1] << 8) + value[0]; printf("verify value: %d %d %d\n",*x,*y,*z); }
 

测试结果：

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