树莓派之GPIO模拟i2c读取MPU6050数据
最近在做嵌入式的一个实验，要求手撕i2c，不能调用gpio库和一些把i2c封装好的库，来读取MPU6050的数据。比如说wiringPi，smbus之类的库。
1. MPU6050
-
外部引脚功能
管脚名称 说明
VCC 3.3V-5V
GND 地线
SCL 时钟线（从机）
SDA 数据线（从机）
XCL 时钟线（主机）
XDA 数据线（主机）
AD0 地址管脚，见reg117(0x75)
INT 中断 -
软件配置及使用
Reg117(0x75) Who Am I
WHO_AM_I是MPU-60X0的7位I2C地址的高6位。 MPU-60X0的I2C地址的最低有效位由AD0引脚的值决定。 AD0引脚的值不会反映在该寄存器中。寄存器的默认值为0x68。第0位和第7位保留。 （硬编码为0）Reg 107 (0x6B) Power Management 1
DEVICE_RESET设置为1时，该位将所有内部寄存器复位为默认值。复位完成后，该位自动清零。Reg27(0x1B) Gyroscope Configuration
在FS_SEL[1:0]上写入合适的值，对应不同的量程（可以理解为灵敏度）
gx = gyr_x / 32768 * value[FS_SEL]同上选择量程
Reg28(0x1C) ACCEL Configuration
ax = acc_x / 32768 * value[AFS_SEL] * gReg65 and 66(0x41 and 0x42) Temperature Measurement
Temperature in degrees C = (TEMP_OUT Register Value as a signed quantity)/340 + 36.53
2. i2c通讯
I2C接口I2C是一种双线接口，由信号串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）组成。通常，线路是开漏和双向的。在通用I2C接口实现中，连接的设备可以是主设备或从设备。主设备将从设备地址放在总线上，具有匹配地址的从设备确认主设备。在与系统处理器通信时，MPU-60X0始终作为从设备运行，因此系统处理器充当主设备。 SDA和SCL线通常需要上拉电阻到VDD。最大总线速度为400 kHz。 MPU-60X0的从机地址为b110100X，长度为7位。 7位地址的LSB位由引脚AD0上的逻辑电平决定。这允许两个MPU-60X0连接到同一I2C总线。在此配置中使用时，其中一个器件的地址应为b1101000（引脚AD0为逻辑低电平），另一个器件的地址应为b1101001（引脚AD0为逻辑高电平）。
- i2c起始和终止条件
- i2c数据格式
I2C数据字节定义为8位长。 I2C数据字节定义为8位长。每次数据传输的字节数没有限制。传输的每个字节后面必须跟一个确认（ACK）信号。确认信号的时钟由主机产生，而接收机通过拉低SDA并在应答时钟脉冲的高电平部分保持低电平来产生实际的确认信号。如果从器件忙，并且在执行某个其他任务之前无法发送或接收另一个数据字节，则它可以保持SCL为低电平，从而强制主器件进入等待状态。从机准备就绪后，正常数据传输恢复，并释放时钟线。
- i2c通信
在开始与START条件（S）通信后，主机发送一个7位从机地址，然后是第8位，即读/写位。读/写位指示主设备是从从设备接收数据还是正在写入从设备。然后，主设备释放SDA线并等待来自从设备的确认信号（ACK）。传输的每个字节后面必须跟一个应答位。要确认，从器件将SDA线拉低，并在SCL线的高电平期间保持低电平。数据传输总是由主机以STOP条件（P）终止，从而释放通信线路。但是，主机可以生成重复的START条件（Sr），并在不首先生成STOP条件（P）的情况下寻址另一个从机。当SCL为高电平时，SDA线上的低电平到高电平转换定义了停止条件。所有SDA更改都应在SCL为低时进行，但启动和停止条件除外。
要写入内部MPU-60X0寄存器，主器件发送启动条件（S），然后发送I2C地址和写入位（0）。在第9个时钟周期（当时钟为高电平时），MPU-60X0确认传输。然后主设备将寄存器地址（RA）放在总线上。在MPU-60X0确认接收到寄存器地址后，主器件将寄存器数据放入总线。接下来是ACK信号，并且可以通过停止条件（P）结束数据传输。要在最后一个ACK信号之后写入多个字节，主设备可以继续输出数据而不是发送停止信号。在这种情况下，MPU-60X0自动递增寄存器地址并将数据加载到适当的寄存器。下图显示了单字节和双字节写序列。
要读取内部MPU-60X0寄存器，主器件发送一个启动条件，然后是I2C地址和一个写入位，然后是要读取的寄存器地址。在从MPU-60X0接收到ACK信号后，主机发送启动信号，然后发送从机地址和读取位。结果，MPU-60X0发送ACK信号和数据。通信以非应答（NACK）信号和来自主设备的停止位结束。定义NACK条件使得SDA线在第9个时钟周期保持高电平。下图显示了单字节和双字节读取序列。
- i2c成员信号及其描述
3.手撕i2c
- 准备工作
首先是宏定义，也可以不写，直接用地址，但是读上去不直观也不方便检查
#define SMPLRT_DIV 0x19
#define CONFIG 0x1A
#define GYRO_CONFIG 0x1B
#define ACCEL_CONFIG 0x1C
#define ACCEL_XOUT_H 0x3B //加速度寄存器
#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 //温度寄存器
#define TEMP_OUT_L 0x42
#define GYRO_XOUT_H 0x43 //角速度寄存器
#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 WHO_AM_I 0x75
#define SlaveAddress 0xD0
#define Address 0x68 //MPU6050地址
#define Time 20 //i2c延时常数
函数声明（每个函数的作用应该很明确）
static uint8 MPU6050_Init(void);
void i2c_start(void);
void i2c_stop(void);
unsigned char i2c_read_ack(void);
void i2c_send_ack(void);
void i2c_send_noack(void);
void i2c_write_byte(unsigned char b);
unsigned char i2c_read_byte(void);
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len);
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char buff);
short GetData(unsigned char REG_Address);
GPIO传参（要和用户函数中的结构体成员相对应）
static struct gpio_config{
int SDA;
int SCL;
short ax;
short ay;
short az;
short gx;
short gy;
short gz;
short tem;
short name;
}config;
要初始化MPU及设置量程
MPU6050_Init();
config.ax = GetData(ACCEL_XOUT_H);
config.ay = GetData(ACCEL_YOUT_H);
config.az = GetData(ACCEL_ZOUT_H);
config.gx = GetData(GYRO_XOUT_H);
config.gy = GetData(GYRO_YOUT_H);
config.gz = GetData(GYRO_ZOUT_H);
config.tem = GetData(TEMP_OUT_H);
config.name = GetData(WHO_AM_I);
- i2c模块及MPU初始化模块
void i2c_start(void)
{
//初始化GPIO口
gpio_direction_output(config.SDA, 1); //设置config.SDA方向为输出
gpio_direction_output(config.SCL, 1); //设置config.SCL方向为输出
gpio_set_value(config.SDA, 1); //设置config.SDA为高电平
gpio_set_value(config.SCL, 1); //设置config.SCL为高电平
udelay(Time); //延时
//起始条件
gpio_set_value(config.SDA, 0); //config.SCL为高电平时，config.SDA由高变低
udelay(Time);
}
/* I2C终止条件 */
void i2c_stop(void)
{
gpio_set_value(config.SCL, 1);
gpio_direction_output(config.SDA, 0);
gpio_set_value(config.SDA, 0);
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SDA, 1); //config.SCL高电平时，config.SDA由低变高
}
/*
I2C读取ACK信号(写数据时使用)
返回值 ：0表示ACK信号有效；非0表示ACK信号无效
*/
unsigned char i2c_read_ack(void)
{
unsigned char r;
gpio_direction_input(config.SDA); //设置config.SDA方向为输入
gpio_set_value(config.SCL,1); // config.SCL变高
udelay(Time);
r = gpio_get_value(config.SDA); //读取ACK信号
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SCL,0); // config.SCL变低
udelay(Time);
return r;
}
/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */
void i2c_send_ack(void)
{
gpio_set_value(config.SCL,0);
gpio_direction_output(config.SDA, 0); //设置config.SDA方向为输出，并发送ack
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SCL,1); // config.SCL变高
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SCL,0);
}
/* I2C发出noACK信号(读数据时使用) */
void i2c_send_noack(void)
{
gpio_set_value(config.SCL,0);
gpio_direction_output(config.SDA, 1); //设置config.SDA方向为输出，并发送noack
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SCL,1); // config.SCL变高
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SCL,0);
}
/* I2C字节写 */
void i2c_write_byte(unsigned char b)
{
int i;
gpio_direction_output(config.SDA, 0); //设置config.SDA方向为输出
udelay(Time);
for (i=7; i>=0; i--) {
gpio_set_value(config.SCL, 0); // config.SCL变低 （SCL为低时可以改变SDA数据，开始写）
udelay(Time);
gpio_set_value(config.SDA, b & (1<=0; i--) {
gpio_set_value(config.SCL, 1); // config.SCL变高（SCL为高时不能改变SDA数据，开始读）
udelay(Time);
r = (r <<1) | gpio_get_value(config.SDA); //从高位到低位依次准备数据进行读取
gpio_set_value(config.SCL, 0); // config.SCL变低
udelay(Time);
}
i2c_send_noack(); //向目标设备发送onack信号，表示一个字节读取完毕，请求终止
return r;
}
/*
I2C读操作
addr：目标设备地址
buf：读缓冲区
len：读入字节的长度
*/
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
int i;
unsigned char t;
i2c_start();
i2c_write_byte(0xD0); //起始条件，开始数据通信，低位为1，表示开始写数据
t = addr;
i2c_write_byte(t); //发送地址和数据读写方向
i2c_start();
i2c_write_byte(0xD1); //低位为1，表示读数据
for (i=0; i - 整体逻辑：
写数据：先写从机地址加一位读/写位（写/0），得到从机应答后，再写寄存器地址，得到应答后，开始写数据，写完发送ack告诉从机写完了，i2c stop。
读数据：先写从机地址加一位读/写位（写/0），得到ack后，写寄存器地址，得到ack后，重新i2c start ，写从机地址加一位读/写位（读/1），得到ack后，开始读数据存入缓存区，由于博主都是一个字节一个字节读的，所以这里的len为1；读完之后发送noack，然后i2c stop终止通信；
- 寄存器高低位：
由于有些寄存器有高位和低位，所以读取时要读2个字节，及i2c_read（reg_addr，&H）+i2c_read（reg_addr+1，&L）；
- SCL控制线的提示：
博主在这里也是困惑了很久，最后在小伙伴的帮助下找出问题，实在感谢。
顺便把SDA也讲了吧
无数据：SCL=1，SDA=1；
开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；
停止位（Stop）：当SCL=1时，SDA由0向1跳变；
数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；
总结：
读数据时，把SCL从0置1，读完置0；
写数据时，把SCL置0，写完一位置1，再写下一位；最后把SCL置0；
在每一步处理的时候，要保证SCL状态为：初始为0和结束为0；
附一张效果图：
WHO AM I应该是68的，博主偷懒直接用了GET_Data，就读了2个字节的值。