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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第1张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第2张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第3张图片

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:

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主设备读从设备数据:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第5张图片

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

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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

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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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第8张图片

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。

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三轴加速度测量:

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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)

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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

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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:

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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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第14张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第15张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第16张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第17张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第18张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第19张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第20张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第21张图片

读取X, Y, Z 三轴陀螺仪的值

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物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第23张图片

读取温度值

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第24张图片

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

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第25张图片

MPU6050电气原理图

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第26张图片

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:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第27张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第28张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第29张图片

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:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第30张图片

新建文件mpu6050.c,然后添加到工程中:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第31张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第32张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第33张图片

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第34张图片

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     //IAR library
#include    //IAR library
#include 
//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);
	
}

 物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第35张图片

#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 

 物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第36张图片

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: 

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第37张图片

​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:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第38张图片

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):

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第39张图片

​​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:

物联网之STM32开发八(I2C总线通信)_第40张图片

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