STM-32：I2C外设总线—硬件I2C读写MPU6050

一、I2C外设简介

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，减轻CPU的负担【对比USART外设是串口通信的的硬件收发器】

支持多主机模型【分为固定多主机和可变多主机，STM32为可变多主机】

支持7位/10位地址模式

10位地址模式下，发送的前2个字节为地址，其中前5位是10位寻址的标志位（11110），后10位是地址位
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（主要用于电源管理系统中）

STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

二、I2C框图

主要操作控制寄存器（CR），数据寄存器（DR），状态寄存器（SR）

引脚设定

当数据从数据寄存器转到移位寄存器时，就会置状态寄存器TXE为1，表示发送寄存器为空

当数据从移位寄存器转到接收寄存器时，就会置状态寄存器RXNE为1，表示接收寄存器非空

自身地址寄存器：设定从机地址

双地址寄存器：也是设定从机地址

比较器：stm32作为从机时有从机地址，会将收到的寻址通过比较器进行判断

三、I2C基本结构

I2C通信是高位先行
使用硬件I2C时，GPIO口的模式为复用开漏输出
对于SDA线的GPIO口，可以完成复用开漏输出和复用功能输入，【硬件I2C使用复用开漏模式，软件I2C采用通用开漏模式】

四、主机发送

起始条件写1，当起始条件发出后自动清零，接口在生成起始条件后自动从从模式切换到主模式

EV5事件修改了SB标志位，也是由硬件自动清零

EV6事件修改ADDR标志位，在主模式下表示地址发送结束

EV8事件修改TXE标志位，此时数据寄存器为空，移位寄存器非空，可以写入新的数据到DR中，该状态表示移位寄存器正在发送数据

EV8_2事件修改BTF标志位，表示字节发送结束

停止条件P写1

五、主机接收

EV7事件修改RXNE标志位，此时DR寄存器非空，移位寄存器为空

六、I2C的中断请求

七、软件/硬件波形对比

I2C同步时序对于波形的要求不高，硬件I2C的波形更加标准

八、应用实例：硬件I2C读写MPU6050

8.1接线图

8.2程序代码

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"

#define MPU6050_ADDRESS		0xD0
//等待和超时退出函数
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
	uint32_t Timeout;
	Timeout = 10000;
	while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)
	{
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
}

//指定地址写
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//生成起始条件
	/*非阻塞式函数需要通过状态标志位判断是否完成*/
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);//检查EV5事件
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);//发送7位地址，读写标志位由第三个参数决定，该函数自带接收应答的过程【接收数据也自带发送应答功能】
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);//检查EV6事件
	
	I2C_SendData(I2C2, RegAddress);//将数据写入DR寄存器，硬件自动转到移位寄存器
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);//检查EV8事件
	
	I2C_SendData(I2C2, Data);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);//检查EV8——2事件
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//生成终止条件
}
//指定地址读，先指定地址写，再调用当前地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	//指定地址写
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);
	
	I2C_SendData(I2C2, RegAddress);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);
	//当前地址读
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//重复起始条件
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);//发送7位地址，读写标志位由第三个参数决定，不是发送则则置1，发送则为0
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);//EV6事件
	/*如果只需要接收一个字节，则在EV6事件之后需要ACK置0且配置stop标志位，否则会多读取一个字节
	如果是接收多个字节则直接等待EV7事件，在EV7_1事件之前ACK置0且配置stop标志位为1*/
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);//配置ACK应答位为0
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//配置停止位
	
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);//等待EV7事件
	Data = I2C_ReceiveData(I2C2);//将数据读取到DR寄存器，硬件自动转到移位寄存器
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);//恢复ACK应答位为1，方便指定地址收多个字节
	
	return Data;
}
//硬件I2C初始化和指定地址写
void MPU6050_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	//I2C初始化
	I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;//最大400KHz
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
	/*在标准速度下占空比为1:1，在快速模式下设置才有用，有2个参数可以选择，
	低电平：高电平分别是16:9和2:1，因为在scl低电平时sda会切换电平，
	此时适当多分配低电平时间可以在快速模式下完成电平变化。*/
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;//配置ack应答位
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;//stm32作为从机可以响应多少位地址
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;//作为从机时设置自身地址1
	I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);
	
	I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);
	
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);
}

uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
	return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}
//获取数据寄存器函数，参数为指针，指向各个数据寄存器的地址
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(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
	*AccX = (DataH << 8) | DataL;
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
	*AccY = (DataH << 8) | DataL;
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
	*AccZ = (DataH << 8) | DataL;
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
	*GyroX = (DataH << 8) | DataL;
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
	*GyroY = (DataH << 8) | DataL;
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
	*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);

void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, 
						int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);

#endif

MPU6050_Reg.h
使用宏定义，将寄存器地址用一个字符串表示

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H

#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C

#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48

#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75

#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"

uint8_t ID;
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	MPU6050_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "ID:");
	ID = MPU6050_GetID();
	OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);
	
	while (1)
	{
		MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);
		OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);
		OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);
		OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);
		OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);
		OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);
	}
}

参考视频：江科大自化协