STM-32：I2C通信协议—软件I2C读写MPU6050

一、I2C通信

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

两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

同步【多一条时钟线，控制从机读写】，半双工【一根通信线】

带数据应答

支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

控制原理和单片机cpu操作外设原理一样，单片机通过数据总线对寄存器进行读取和写入，而单片机需要通过协议来读写外部模块的寄存器，配置mpu6050的寄存器进而控制硬件电路。

异步通信对传输速率严格，且不能处理进入中断，必须完整发送一个字节，非常依赖硬件外设的支持，必须USART电路才能使用，同步时序比异步时序稳定性更加高，可以暂停传输（同时暂停时钟线）

软件模拟I2C通信：通过软件手动翻转电平实现通信，对硬件的依赖程度低

二、硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

主机对SCL线是完全控制，对SDA线不是，在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA控制器给从机，从机的SCL线只能被动读取。

为了防止总线没有协调好导致电源短路问题，I2C禁止所有设备输出强上拉高电平【不能是推挽输出，会输出高电平】，采用外置弱上拉电阻+开漏输出的电路结构，可以同时兼具输入和输出功能。输入的时候先输出1，再读取输入数据寄存器

即设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式【只有低电平和浮空两种状态】

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右【为了避免高电平造成的引脚浮空，加弱上拉电阻，类似于弹簧，配合开漏输出就是下拉的低电平或不拉的高电平】

CPU和外设内部的SCL和SDA设计如下图所示

有线与现象，一个从机是低电平，则SDA线就是低电平，只有所有设备输出高电平，SDA线才是高电平，利用这个特性可以实现多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，这就是SCL也采用上拉电阻的原因。

三、I2C时序基本单元

在读写时，SCL低电平时，SDA写，SCL高电平时，SDA不变
在起始和结束时，SCL高电平，SDA变化

空闲状态，SCL和SDA由于外挂的上拉电阻拉高致高电平
起始和终止都是由主机产生的，从机始终不会去碰SCL和SDA线

3.1起始和终止

3.1.1起始条件

SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

3.1.2终止条件

SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

3.2发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，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【在发送时，SCL和SDA都由主机进行控制】

由于有时钟线的控制，主机可以进入中断，此时传输会暂停，时序不会发送变化

3.3接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，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，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）此时从机获得SDA控制权，释放SDA就是主机切换成输入模式，“释放”可以理解为主机原本就是输入模式，在下拉为低电平时是输出模式

3.4发送应答

发送应答和接收应答就是发送数据的一位和接收数据的一位

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

发送应答逻辑：主机接收完一个字节数据后，主机会给从机发送一个发送应答，决定是否继续接收，不继续接收就会收回对SDA的控制权

3.5接收应答

主机在发送完一个字节之后，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）

接收应答逻辑：主机发送完一个字节数据后，发送一个接收应答，释放SDA控制权，若有从机拿到控制权并拉低电平，表示某个从机接收完毕。

四、I2C时序

从机设备地址分为7位和10位，一般相同型号的芯片地址是一样的
当相同型号的芯片挂载在同一总线上时，可以通过最后几位区分，例如mpu6050的最后一位可以由AD0引脚控制，接低电平时地址是1101000，接高电平时地址是1101001

4.1指定地址写

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

起始后，第一个字节内容必须是从机地址+读写位（0写1读）
接收应答：由于主机释放SDA之后立即就被从机拉低表示接收到该字节，根据线与的特性，此处就没有拉高的波形出现
在写操作时，第二个字节可以是指令控制字（如AD转换器）或寄存器地址（如MPU6050）

4.2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）

由于读写标志位为1时，主机还来不及发送要读寄存器的地址
从机哪个寄存器的数据呢？取决于之前写入的地址+1，该时序不常用

4.2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）

sr表示重复起始条件，在后面可以加停止时序，地址指针不会消失

4.3连续读与写

可以连续写入多个字节或读取多个字节，只需要在最后的时序写入多个字节，因为地址指针会在读写后自动加一，所以可以连续操作。读取时，还打算继续读就需要给应答，在结束的字节后给非应答，从机交出SDA控制权，也就是说从机的控制权从读写操作位1到发送应答位为1

五、MPU6050简介

MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角（欧拉角），常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景
MPU6050得出来的姿态角有三种：PITCH（俯仰角）、ROLL（横滚角）、YAW（航向角）【对应XYZ】
3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度
3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度
9轴是多了3轴磁力计（磁场强度），补测得的航向角因为磁场和硬件问题造成的积分累积偏差
10轴是多了气压强度
常见的数据融合算法有卡尔曼滤波，互补滤波，互补滤波和卡尔曼滤波能够一定程度解决航向角偏移的问题，而且对于随机干扰也有更优秀的表现，但是是较为复杂的算法。

MPU6050内部有DMP单元，可以进行数据融合和姿态解算，避免了复杂的算法操作和外围电路。可以减轻外围微处理器的工作负担且避免了繁琐的滤波和数据融合，使用方便，只需要通过简单读取寄存器操作便可以获得小车的姿态信息。。

加速度计测量的是加速度（可以看做测力计，根据牛顿第二定律F=ma可以计算加速度），加速度计具有静态稳定性，不具有动态稳定性

MPU6050的陀螺仪测量的是角速度，角度可以通过角速度积分得到，具有动态稳定性，不具有静态稳定性

六、MPU6050参数

16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767

加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g）【量化范围对应加速度计的量程范围，变化大则选大量程，测量范围越广，变化小则选小量程，精度更高】

陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec）

可配置的数字低通滤波器（平缓信号抖动）

可配置的时钟源

可配置的采样分频

I2C从机地址：
1101000（AD0=0）
关于从机地址的十六进制，有两种表示方法
将二进制转十六进制是0x68当做从机地址，在I2C通信时需要左移一位，按位或上读写位，读1写0
将左移1位的数0xD0作为从机地址，此时在I2C通信时0xD0是写地址，0xD1是读地址
1101001（AD0=1）

七、硬件电路

SCL和SDA在硬件电路中已经接上拉电阻
XCL和XDA是为了扩展芯片功能，通常是用于外接磁力计（偏航角）和气压计（高度），MPU6050的主机接口可以直接访问扩展芯片的数据，在芯片内部的DMP单元进行数据融合和姿态解算，解算出欧拉角
INT引脚可以设置电平跳变，用于输出芯片内部的中断事件
引脚功能图

八、MPU6050框图

灰色部分为传感器，本质上是可变电阻，通过串联分压后输出模拟电压，经过ADC转换后输出数据保存在寄存器中，不存在数据覆盖，每个传感器都有2个字节的寄存器，整个过程是硬件自动化完成
每个传感器都有自测单元self test，通过比较使能和失能后该寄存器的数据差是否在合理范围，进而判断传感器是否有问题
Charge Pump电荷泵，用于升压，电源与电容并联时充电，串联时放电，放电时电压就是放大2倍，由于电容的电压会放完，所以不断的充电放电就能升压，在MPU6050中陀螺仪需要高电压支持所以设计该升压电路
DMP：数字运动处理器是芯片内部自带的姿态解算的硬件算法
通信接口部分，上半部分显示MPU6050作为从机时，可以采用SPI通信，此时引脚的功能发送改变，也可以采用I2C通信。下半部分显示MPU6050作为主机时通过I2C协议与从机进行通信。Bypass Mux为开关，用于控制两路I2C是否为同一个通路，如果为同一个通路，则stm32既可以控制MPU6050又可以控制MPU6050的从设备。

九、应用实例：软件I2C读写MPU6050

9.1接线图

9.2程序代码

MyI2C.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
/*
封装三个函数操作相应的IO口便于移植
MyI2C_W_SCL
MyI2C_W_SDA
MyI2C_R_SDA
*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
	Delay_us(10);
}

uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
	uint8_t BitValue;
	BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
	Delay_us(10);
	return BitValue;
}

void MyI2C_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);
}

void MyI2C_Start(void)
{
	MyI2C_W_SDA(1);//为了兼容sr重复起始条件，先释放sda后释放scl
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(0);
	MyI2C_W_SCL(0);
}

void MyI2C_Stop(void)
{
	MyI2C_W_SDA(0);//为了确保释放sda是高电平，先拉低sda
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SDA(1);
}

void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));//高位先行，按位与取出相应位数，右移得到相应的位
		MyI2C_W_SCL(1);//高位读取sda数据
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
}

uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
	uint8_t i, Byte = 0x00;//定义一个字节的数据
	MyI2C_W_SDA(1);//主机释放sda
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MyI2C_W_SCL(1);//scl高电平时放入数据
		if (MyI2C_R_SDA() == 1){
			Byte |= (0x80 >> i);//输出寄存器为1则在该字节的相应位置写入1
		}
		MyI2C_W_SCL(0);
	}
	return Byte;
}
//发送用应答
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
	MyI2C_W_SDA(AckBit);
	MyI2C_W_SCL(1);
	MyI2C_W_SCL(0);
}
//接收应答
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
	uint8_t AckBit;
	MyI2C_W_SDA(1);//释放sda，而不是输出1
	MyI2C_W_SCL(1);
	AckBit = MyI2C_R_SDA();//读到0则表示从机应答
	MyI2C_W_SCL(0);
	return AckBit;
}

MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H

void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);

#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"

#define MPU6050_ADDRESS		0xD0

//指定地址写
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(Data);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_Stop();
}
//指定地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	//重复起始条件
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);//指定地址写，修改最低位为1
	MyI2C_ReceiveAck();
	Data = MyI2C_ReceiveByte();
	MyI2C_SendAck(1);//主机收回控制权
	MyI2C_Stop();
	
	return Data;
}
//指定地址写之前需要取消睡眠模式
void MPU6050_Init(void)
{
	MyI2C_Init();
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//最后三位选择时钟，0x01选择陀螺仪x轴的时钟
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);//不需要待机
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//10分频
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);//后三位给110，低通滤波器
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//中间2位是满量程，给11是最大量程
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//中间2位是满量程，给11是最大量程
}

uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
	return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);//指定地址读
}
//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;//该变量为16位，有指针指向该地址
	
	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;
}
/*
多返回值设计：
1. 在该文件中定义全局变量，extern暴露出去，在main文件中使用
2. 用指针
3. 使用结构体打包


*/

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);//参数指针，指向各个寄存器地址
		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