（STM32学习笔记）I2C通信协议-外设实现I2C通信（二）
目录
（1）功能
（2）软件I2C与硬件I2C的优缺点
（3）I2C的功能框图
（4）发送数据 & 接收数据的流程
（5）I2C基本结构
（6）主机发送 & 主机接收序列图
（7） 使用STM32的I2C外设实现I2C通信
（8）代码实现
（1）功能
- STM32内部集成了硬件12C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
- 支持多主机模型
- 支持7位/10位地址模式
- 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
- STM32F103C8T6 硬件I2C资源: I2C1、I2C2
外设：
控制寄存器CR、数据寄存器DR、状态寄存器SR
（2）软件I2C与硬件I2C的优缺点
软件I2C的优缺点：
优点：资源没有限制，只要代码存得下，开多少个I2C总线都可以，且引脚没有任意指定。
缺点：占用CPU资源，效率不高。
硬件I2C的优缺点：
优点：硬件电路实现I2C通信，效率更高，更专注，节省CPU资源。
缺点：硬件I2C的资源有限，只有I2C1和I2C2两个硬件资源，引脚是固定的。
（3）I2C的功能框图
像这种外设模块引出来的引脚，一般都是借助GPIO口的复用模式与外部世界相连的，
具体复用在哪个GPIO口，可以查看“引脚定义表”。I2C2两个引脚复用在了PB10和PB11这两个端口，如下图1-2所示。I2C1两个引脚复用在PB6和PB7，而且还可以重映射到PB8和PB9两个引脚上，如下图1-3所示。
图1-2
图1-3
所以，硬件I2C的引脚就是固定的，不能任意更改，不像软件I2C那样可以随意。
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（4）发送数据 & 接收数据的流程
SDA，数据控制部分
图1-4
发送数据的流程：
数据的收发的核心部分是数据寄存器（DATA REGISTER）和数据移位寄存器。
当我们需要发送数据时，可以把一个字节数据写到数据寄存器DR，当移位寄存器可以数据移位时，数据寄存器的值就会转到移位寄存器里，在移位的过程中，下一个数据就会被放到数据寄存器中等着了，一旦前一个数据移位成功，下一个数据就可以无缝衔接，继续发送。
当数据由数据寄存器转到移位寄存器时，就会置状态寄存器的TXE位为1，表示发送寄存器为空，这是发送数据的流程。
接收数据的流程：
输入的数据，一位一位地从引脚移入到移位寄存器里，当一个字节的数据收齐之后，数据就整体从移位寄存器转到数据寄存器，同时置标志位RXNE，表示数据寄存器非空，此时就可以把数据从数据寄存器里读出来。
流程如图所示：
图1-5
（5）I2C基本结构
（这是简化的结构，只用上部分的寄存器）
发送数据时：
移位寄存器和数据寄存器是通信的核心部分，由于I2C是高位先行，所以这个移位寄存器是向左移位的。在发送的时候，最高位先移出去，然后是次高位，以此类推。一位SCL时钟移位一次，移位8次，由高位到低位，依次放到SDA线上。
接收数据时：
数据通过GPIO口，从右往左的方向依次移入移位寄存器，总共移8次，一个字节就接收完成了。在使用硬件I2C的时候，这两个GPIO口都要配置成复用开漏输出的模式。复用就是GPIO的状态交由片上外设来控制；开漏输出就是I2C协议要求的端口配置。
（6）主机发送 & 主机接收序列图
主机发送：
起始条件-（S），检测起始条件已经发送时-（EV5），就可以发送一个字节的从机地址-（地址），从机地址需要写到数据寄存器DR中，写入DR之后，硬件电路就会自动把这个字节转到移位寄存器里，再把这个字节发送到I2C总线上，之后硬件会自动接收应答并判断（A）。如果没有应答，硬件就会置应答失败的标志位，这个标志位可以申请中断来提醒我们。
当寻址完成之后，会发生EV6事件，标志位ADDR=1，在主模式状态下代表发送结束。-(EV6)
EV6事件结束后，接下来是EV8_1事件，EV8_1事件就是TxE标志位=1，移位寄存器和数据寄存器都为空，需要写入数据寄存器DR进行数据发送。一旦写入DR寄存器之后，由于移位寄存器也是空，所以DR会立刻转到移位寄存器进行发送。
接下来就是EV8事件，移位寄存器非空，数据寄存器空，此时正是移位寄存器正在发送数据的状态，因此数据1的时序就产生了。
在EV8事件结束之前，数据2就写入到数据寄存器等候着了。接收应答（A）之后，数据2就转入移位寄存器进行发送，EV8事件消失，以此类推。
最后，当我们不需要继续发送数据的时候，就可以通过EV8_2事件和置TxE=1 标志位结束。
BTF(Byte Transfer Finished),字节发送结束标志位。
主机接收：
7位主接收时序流程：
起始，从机地址+读，接收应答，接收数据，发送应答，接收数据，发送应答…，非应答，终止。
S：产生起始条件，然后等待EV5事件（代表起始条件已发送），之后是寻址，接收应答，结束后产生EV6事件（代表寻址已完成），
数据1：表示数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6_1：数据正在移入移位寄存器，数据还没收到，所以这个事件没有标志位，最后硬件会自动根据配置，把应答位发送出去。如果应答位写1，表示在接收到一个字节后就返回一个应答；如果应答位写0，表示无应答返回。
经过这波操作，移位寄存器已经成功移入一个字节的数据1了，此时移入的一个字节就整体转移到数据寄存器，同时置RxNE标志位，表示数据寄存器非空，也就是收到数据1了，当前状态就是EV7事件。
在EV7事件消失之前，数据2就可以直接移入移位寄存器等候了，然后就是数据1被读取了。之后是收到数据2，产生EV7事件，读走数据2，EV7事件消失，下一个数据正在移入移位寄存器等候。按照以上流程就可以一直接收数据了。
最后，如果不需要继续接收时，在最后一个时序单元发生时，提前把应答位控制寄存器ACK置0，并设置终止条件请求，也就是EV7_1事件（ACK=0 + STOP请求）
ps ： 主机发送 --> 数据寄存器 --> 移位寄存器 --> 从机接收
主机接收 <-- 数据寄存器 <-- 移位寄存器 <-- 从机发送
相关介绍可以查看STM32F10xx参考手册（中文）.pdf
（7） 使用STM32的I2C外设实现I2C通信
常用库函数：
// I2C外设缺省配置
void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);
// I2C外设初始化函数
void I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
// 初始化结构体的缺省初始化
void I2C_StructInit(I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
// I2C外设的开关控制函数
void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
// 生成起始信号
void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
// 生成结束信号
void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
// 在主机接收数据后是否相应从机配置
void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
// 主机发送数据
void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Data);
// 主机接收数据
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);
// 7位地址模式发送函数(该函数功能也可由数据发送函数实现)
void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);
下面是和状态检测相关的库函数：
// 获取当前事件是否发生
ErrorStatus I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT);
// 获取当前状态寄存器的值(两个16位寄存器拼接而成的数据)
uint32_t I2C_GetLastEvent(I2C_TypeDef* I2Cx);
// 获取当前的状态标志位
FlagStatus I2C_GetFlagStatus(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG);
// 清除当前的状态标志位
void I2C_ClearFlag(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG);
// 获取中断标志位
ITStatus I2C_GetITStatus(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
// 清除中断标志位
void I2C_ClearITPendingBit(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
（8）代码实现
软件和硬件I2C通信在本次实验中实验数据和现象完全相同，仅在通信层有区别。在算法实现时，MPU6050.c模块不在需要继承软件通信协议MyI2C.h，所以在工程文件中可以直接删除MyI2C.c和MyI2C.h文件。
新的MPU6050.c的代码如下所示：
-
MPU6050.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0 // 0x68 + 读写位，注意这里的定义和软件模拟I2C有些许区别
// 用宏定义在一定程度上实现解耦
// 重定义GPIO端口,需要注意使用的GPIO如果不是APB2的外设需要更改MPU6050_Init函数
#define GPIO_Periph_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB
#define GPIO_Periph GPIOB
#define GPIO_Pin_SCL GPIO_Pin_6
#define GPIO_Pin_SDA GPIO_Pin_7
// 重定义I2C外设端口,这里同样需要检查使用的I2C外设是否是APB1的外设
#define I2C_Periph_CLK RCC_APB1Periph_I2C1
#define I2C_Periph I2C1
/**
* @brief I2C硬件读写的事件等待发生函数,即等待某事件发生
* @param I2Cx 操作的I2Cx外设
* @param I2C_EVENT 要等待的事件,该参数的可取值在stm32f10x_i2c.c文件中
* @retval 无
*/
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
uint32_t TimeOut = 10000; // 等待的时间值,可以由多次实验调试确定
while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)
{
TimeOut --;
if (TimeOut == 0)
{
/* 可在此进行错误和故障处理 */
break;
}
}
}
/**
* @brief MPU6050 向芯片内部的指定地址写
* @param RegAddress 芯片内部的寄存器地址
* @param Data 要写入的数据
* @retval 无
*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
I2C_GenerateSTART(I2C_Periph, ENABLE);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); // EV5, 等待起始条件已发送,事件发生(主模式已选择)
I2C_Send7bitAddress(I2C_Periph, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
/* 在库函数中,发送函数都自带接收应答的过程,接收函数都自带发送应答的过程 */
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); // EV6, I2C地址和写命令已发送
I2C_SendData(I2C_Periph, RegAddress); // 发送寄存器地址
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING); // EV8, 数据正在发送(DR非空)
I2C_SendData(I2C_Periph, Data); // 发送寄存器数据
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED); // EV8_2, 数据发送已完成
I2C_GenerateSTOP(I2C_Periph, ENABLE);
}
/**
* @brief MPU6050 向芯片内部的指定地址读
* @param RegAddress 要读取的寄存器在芯片内部的地址
* @retval 读取的数据
*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
uint8_t Data;
I2C_GenerateSTART(I2C_Periph, ENABLE);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); // EV5, 起始条件已发送(主模式已选择)
I2C_Send7bitAddress(I2C_Periph, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); // EV6, I2C地址和写命令已发送
I2C_SendData(I2C_Periph, RegAddress);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED); // EV8_2, 等待数据(寄存器地址)发送已完成
I2C_GenerateSTART(I2C_Periph, ENABLE); // 重复起始条件
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); // EV5, 起始条件已发送(主模式已选择)
I2C_Send7bitAddress(I2C_Periph, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED); // EV6, I2C地址和读命令已发送
// 如果要读取的数据使最后一个数据, 则在执行读命令之前, 就将ACK置0(不响应), STOP置1(结束条件)
I2C_AcknowledgeConfig(I2C_Periph, DISABLE);
I2C_GenerateSTOP(I2C_Periph, ENABLE);
MPU6050_WaitEvent(I2C_Periph, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED); // EV7, RxNE = 1, 已收到一个字节
Data = I2C_ReceiveData(I2C_Periph); // 取走DR的值, 并存放在Data变量中
return Data;
}
/**
* @brief MPU6050初始化函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void MPU6050_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(I2C_Periph_CLK, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(GPIO_Periph_CLK, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; // 复用开漏模式, 将GPIO端口的控制权交给片上外设
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_SCL | GPIO_Pin_SDA;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIO_Periph, &GPIO_InitStructure);
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 标准模式,时钟频率为100kHz(该参数最大不能超过400kHz)
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 快速模式下的时钟占空比, 在标准模式下该参数没有作用
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; // 主机接收一个数据后是否响应从机, 该参数也可以由独立的函数进行配置
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; // 地址的位数
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00; // STM32从模式下的自身地址, 主模式下没有作用
I2C_Init(I2C_Periph, &I2C_InitStructure);
I2C_Cmd(I2C_Periph, ENABLE);
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01); // 不复位，关闭睡眠模式，不循环，使能温度传感器，选择X轴陀螺仪的内部震荡电路作为系统时钟
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00); // 不需要设置循环模式的唤醒频率, 六个轴都不需要待机
MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09); // 设置采样分频, 这里选择10分频
MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06); // 不需要外部同步, 数字低通滤波设置为最高(最平滑)
MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18); // 角速度计配置:不自测(高三位为自测使能, 手册有遗漏), 设计为最大量程
MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18); // 加速度计配置:不自测,选择为最大量程,不使用高通滤波器
}
/**
* @brief 获取MPU6050的ID值，可根据ID值检查STM32和MPU6050之间是否正常通信
* @param 无
* @retval ID值
*/
uint8_t MPU6050_ReadID(void)
{
return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}
/**
* @brief 获取并返回MPU6050六轴传感器的返回值
* @param 无
* @retval 通过参数指针操作（返回）6个返回值
*/
void MPU6050_ReadData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
*AccX = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
*AccY = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
*AccZ = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
*GyroX = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
*GyroY = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
*GyroZ = (MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H) << 8)
| MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
}
本节知识点：
（1）介绍了硬件I2C的功能，以及软件I2C和硬件I2C的优缺点。
（2）硬件I2C实现通信，采用I2C1或I2C2两个硬件资源，且两个资源的引脚都是固定的。
（3）硬件I2C实现通信的核心部分是数据寄存器和移位寄存器。
当主机发送数据的时候，数据从数据寄存器转到移位寄存器，移位寄存器再将数据发送出去，在移位寄存器发送数据的时候，下一个数据就已经在数据寄存器里排队准备就绪了。在整个发送数据的时序流程中，会产生事件，用于判断数据的发送/接收情况。比如EV5表示检测起始条件是否发送，检测已发送，就可以进行下一步的寻址操作，然后是应答位，如果没有应答，就会置应答失败的标志位，并且会申请中断来提示我们。寻址完成之后，就会产生EV6事件，在主模式状态下代表发送结束。EV6结束之后，接下来会产生EV8_1事件，在EV8_1事件时，数据寄存器和移位寄存器都是空，此时会有数据写入到数据寄存器，由于移位寄存器是空的，所以数据寄存器会将数据转到移位寄存器中，等到EV8_1结束了，数据寄存器是空的，移位寄存器非空，然后来到了EV8事件，此时移位寄存器正在发送数据，下一个数据也来到数据寄存器中排队了，接收应答（A）之后，数据2就转入移位寄存器进行发送，EV8事件消失，以此类推。
最后，当我们不需要继续发送数据的时候，就可以通过EV8_2事件和置TxE=1 标志位结束。
当主机接收数据的时候，移位寄存器接收到数据，再将数据转到数据寄存器。
核心知识点：
（1）硬件资源是 I2C1、I2C2，引脚是固定的；
（2）I2C硬件通信的核心部分：数据寄存器、移位寄存器。
学习心得：理解I2C硬件通信的流程，不用死记硬背，但懂得根据时序图去写代码，在项目中实践，夯实理论知识并熟悉应用。