嵌入式实验之 I2C实验（IIC）

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wx5ec286973f886 2021-07-09 10:03:38 ©著作权

文章标签 嵌入式物联网编程环境嵌入式实验 I2C实验 文章分类 物联网

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【实验目的】

掌握I2C协议的内容，了解I2C接口的特点。
了解陀螺仪MPU6050的用途及数据采集过程。
熟悉STM32F10xx系列微控制器的I2C配置，完成通过I2C读取陀螺仪MPU6050数据的实验。

【实验原理】

I2C (Inter－Integrated Circuit)协议是由Phiilps公司开发的，由于它具引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要如USART、CAN的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

一、I2C总线协议：

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

二、I2C接口特性

STM32的中等容量和大容量型号的芯片均有多达2个的I2C总线接口。
能够工作于多主模式或从模式，分别为主接收器，主发送器，从接收器及从发。
支持标准模式100Kbit/s和快速模式400Kbit/s，不支持高速模式。
支持7位或10位寻址。
内置了硬件CRC发生器/校验器。
I2C的接收和发送都可以使用DMA操作。
支持系统管理总线(SMBus)总线2.0版。

三、MPU6050相关

MPU-6050为9轴运动处理传感器。它集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，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。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。MPU-6050上所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

四、硬件连接和库函数介绍

嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验
图1 硬件连接示意图
本实验中使用的库函数主要有unsigned char I2C_ReadOneByte(unsigned char I2C_Addr,unsigned char addr)，其功能为读取指定设备，指定寄存器的一个值，其参数分别为：
I2C_Addr：目标设备地址，在我们的实验中为陀螺仪和加速度计的地址。
Addr：寄存器地址，即存放陀螺仪信息和加速度计信息的寄存器地址

五、软件流程图

本实验项目需要包涵oled.c显示屏库函数、MPU6050.c运动传感器库函数、delay.c延时库函数，本实验的实验流程图如图2所示：

图2 实验流程示意图

【实验环境】

硬件设备

双轮自平衡机器人。如图3所示，平衡车所搭载的电路板上已经搭载MPU6050芯片。
ST-Link下载器（包含USB线与下载线）。如图4所示。

操作系统

Windows7/8/10，32bit/64bit

嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验_02
图3 双轮自平衡机器人
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_编程环境_03
图4 ST-Link下载器与下载线

软件环境

Keil 5
实验场地：
无

【实验步骤】

第一步配置工程环境

打开已经建立好的工程模板，在新建立的工程模板中已经添加五个文件夹，分别命名为USER、HARDWARE、SYSTEM、CORE、FWLib文件夹，如图5所示。其中USER文件夹存放的是主函数，HARDWARE文件夹存放的是本实验对应的硬件设备函数，SYSTEM存放的是本课程所有实验通用的函数，CORE文件夹存放的是启动文件，FWLib文件夹存放的是底层驱动函数。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_编程环境_04
图5工程模板对应的文件夹
在HARDWARE文件夹下右键导入已存在文件IOI2C.c和IOI2C.h文件，这两个文件保存在工程目录下MiniBalance_HARDWARE文件夹中IIC文件夹内，如图6所示。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_编程环境_05
图6 在HARDWARE文件夹下导入IOI2C.c和IOI2C.h文件

第二步编写IIC实现函数

打开刚刚导入程序中的IOI2C.h文件，可以发现文件里已经预定义了许多函数。

/*----------------------------------IIC的操作函数---------------------------------*/
void IIC_Init(void);						//初始化IIC的IO口			 	int IIC_Start(void);						//发送IIC 开始信号
void IIC_Stop(void); 					//发送IIC停止信号
void IIC_Send_Byte(u8 txd);				//IIC发送一个字节
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack);		//IIC读取一个字节
int IIC_Wait_Ack(void);					//IIC等待ACK信号
void IIC_Ack(void);					//IIC发送ACK信号
void IIC_NAck(void);					//IIC不发送ACK信号
void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr,u8 addr,u8 data); //将一个字节写入指定设备,指定寄存器
u8 IIC_Read_One_Byte(u8 daddr,u8 addr);	 //读取指定设备,指定寄存器中的一个字节
unsigned char I2C_Readkey(unsigned char I2C_Addr);
unsigned char I2C_ReadOneByte(unsigned char I2C_Addr,unsigned char addr);//读取指定设备,指定寄存器的一个值
unsigned char IICwriteByte(unsigned char dev, unsigned char reg, unsigned char data);// 写入指定设备,指定寄存器一个字节
u8 IICwriteBytes(u8 dev, u8 reg, u8 length, u8* data); //将多个字节写入指定设备,指定寄存器
u8 IICwriteBits(u8 dev,u8 reg,u8 bitStart,u8 length,u8 data);//读,修改,写指定设备,指定寄存器一个字节中的多个位
u8 IICwriteBit(u8 dev,u8 reg,u8 bitNum,u8 data);//读,修改,写指定设备,指定寄存器一个字节中的1个位
u8 IICreadBytes(u8 dev, u8 reg, u8 length, u8 *data);//读取指定设备,指定寄存器的 length个值

打开程序中的IOI2C.c文件,编写IIC的IO口初始化函数。

void IIC_Init(void)
{			
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//使能GPIOB端口时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//端口配置
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11;
//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
//50M
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
//根据设定的参数初始化GPIOB
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); 
}

在IOI2C.c文件中，编写IIC_Start函数，产出IIC起始信号

int IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();		//sda线输出
IIC_SDA=1;
if(!READ_SDA)  return 0;	
IIC_SCL=1;
delay_us(1);
 IIC_SDA=0;	//开始:当CLK线即时钟线处于高电平时,数据线从高电平变为低电平
if(READ_SDA)  return 0;
delay_us(1);
IIC_SCL=0;		//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
return 1;
}

在IOI2C.c文件中，编写IIC_Stop函数，产出IIC停止信号

void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();			//sda线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;	//停止:当CLK线即时钟线处于高电平时,数据线从低电平变为高电平
delay_us(1);
IIC_SCL=1; 
IIC_SDA=1;			//发送I2C总线结束信号
delay_us(1);
}

为了减轻任务量，其他IIC操作函数已经编写完成，并在IOI2C.c中给出。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验_06
表1 IOI2C.c中已编写函数

第三步编写main.c文件

将工程编译需要用到的头文件包含进来，并且定义相关变量

#include "ioi2c.h"			//IIC头文件
#include "sys.h"			//包含体统头文件
#include "stm32f10x.h"		//包含系统寄存器定义声明的头文件

float Accel_Y,Accel_Angle,Accel_Z,Gyro_X,Gyro_Z;  //定义加速度计和陀螺仪变量
在主函数中调用延时函数、IIC初始化函数、MPU6050初始化函数、OLED屏幕初始化函数。
delay_init();				//调用延时函数
IIC_Init();				//调用IIC初始化函数
MPU6050_initialize();		//调用MPU6050初始化函数
OLED_Init();				//调用OLED初始化函数

在主函数中，加入主循环，并编写IIC读取程序，以读取陀螺仪加速度计信息。其中，使用的函数主要为
unsigned char I2C_ReadOneByte(unsigned char I2C_Addr,unsigned char addr)，其功能为读取指定设备，指定寄存器的一个值，
I2C_Addr：目标设备地址，在我们的实验中为陀螺仪和加速度计的地址。
Addr：寄存器地址，即存放陀螺仪信息和加速度计信息的寄存器地址。

while(1)				//进入主循环
{
/*----------------------------读取X轴陀螺仪信息-------------------------*/
// devAddr : MPU6050的设备地址
// MPU6050_RA_GYRO_XOUT_H :Gyro_X数值的寄存器地址
Gyro_X=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_XOUT_H)<<8)
+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_XOUT_L);
/*----------------------------读取Z轴陀螺仪信息-------------------------*/
Gyro_Z=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_H)<<8)
+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_L);
/*----------------------------读取Y轴加速度计信息-------------------------*/
Accel_Y=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_ACCEL_YOUT_H)<<8)
+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_ACCEL_YOUT_L);
/*----------------------------读取Z轴加速度计信息-------------------------*/
Accel_Z=(I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_ACCEL_ZOUT_H)<<8)
+I2C_ReadOneByte(devAddr,MPU6050_RA_ACCEL_ZOUT_L);
/*----------------------------数据类型转换，-------------------------*/
		if(Gyro_X>32768)  Gyro_X-=65536;
		if(Gyro_Z>32768)  Gyro_Z-=65536;
		if(Accel_Y>32768)  Accel_Y-=65536;
		if(Accel_Z>32768)  Accel_Z-=65536; 
｝

在main.c中，编写显示函数oled_show(),并在主循环中调用oled_show()函数。


void oled_show(void)
{
	OLED_ShowString(00,10,"Gyro_X");
	OLED_ShowNumber(95,10,Gyro_X,5,12);
	OLED_ShowString(00,20,"Gyro_Z");
	OLED_ShowNumber(95,20,Gyro_Z,5,12);

	OLED_ShowString(00,30,"Accel_Y");
	OLED_ShowNumber(95,30,Accel_Y,5,12);
	OLED_ShowString(00,40,"Accel_Z");
	OLED_ShowNumber(95,40,Accel_Z,5,12);
	OLED_Refresh_Gram();	
}

第四步编译并下载，观察实验现象

本实验采用仿真器为STLink V2，将仿真器与小车相连，注意正负极不要接反，如图7所示。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_物联网_07
图7 仿真器与下载线连接图
编译程序：点击如图8所示的编译按键。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验_08
图8 Keil编译环境下的编译按键
当编译完成后，如果没有问题，Build Output栏会出现无错误、无警告的提示，如图9所示。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验_09
图9 编译通过后Build Output栏提示信息
下载程序：点击如图所示的下载按键，程序就会下载到STM32的芯片中。下载按键如图1.10所示。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_编程环境_10
图10 Keil编译环境下的下载按键
观察实验现象，在小车的OLED显示屏上能够实时的显示出小车当前采集到的陀螺仪加速度计信息，微微晃动小车，可以看到显示屏上的数值有明显变化。
嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_嵌入式实验_11
图11 平衡车上OLED显示屏

【思考题】

1、选择题

题目1：下面哪个结构体是设置I2C传输速率（C）
A：I2C_AcknowledgeAddress
B：I2C_DutyCycle
C：I2C_ClockSpeed
D：I2C_OwnAddress1

题目2：在I2C协议中，起始信号后产生的信号是哪种信号？（A）
A：地址位
B：传输方向选择位

2、简答题

题目1：I2C有几种传输模式，速率分别是多少？
具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

附录：I2C 库函数

嵌入式实验之 I2C实验（IIC）_物联网_12

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