14、I2C通信协议原理和MPU6050

一、串口通讯

  • 只能在两个设备之间进行
  • 若要三台设备两两通信，则每个设备得需要两组窗口，为3组相互独立的窗口通讯
  • 为解决这个问题：设计了总线通讯，有多种，I2C为其中一种

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二、I2C通信

（1）特点

1、同步、半双工

2、带数据应答

3、支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

4、可以是软件IC和硬件IC

（2）时钟线和数据线

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1、主机：任何情况下，主机完全掌握SCL线，在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA控制，只有在从机发送数据和从机应答时，主机才会转交SDA的控制权给从机

2、SCL时钟线在任何时刻都只能被动的读取，从机不允许控制SCL线,
3、SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制，只有在主机发送读取从机的命令后，从机应答的时候，从机才能短暂的获取SDA的控制权

4、主机拥有SCL的绝对控制权，所以主机的SCL可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或者上拉输入

5、为了实现输出输入半双工，避免总线没协调好导致电源短路，I2C规定禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置若上拉电阻加开漏输出的电路

6、SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

（3）SCL和SDA的状态

  • 当SCL和SDA都为高电平，为空闲状态时（起始和终止都是由主机产生的，故空闲时，从机始终放开）

  • 当SCL为高电平，SDA为下降沿的的状态时，为开始发送数据，起始发送数据完成

  • 当SCL为高电平，SDA为上升沿的的状态时，为数据发送完成

发送数据的过程为下图

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当时钟线为高电平时，数据线上的数据必须保持稳定，比如时钟线为高时，数据线上的数据始终为高，完成逻辑1的传输，保持低电平则为0。（主机在接受之前，需要释放SDA，释放SDA相当于切换成输入模式，所有设备和主机都处于输入模式，当主机需要发送时，就可以主动去拉低SDA，而主机在接收的时候，必须主动释放SDA）

（4）例子：单片机向从设备写信息

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假设上述是主机给24C02发送数据：
由上图可知：
24C02的设备地址位1010 000，主机在24C02的 0000 0000的存储位置写入0000 1111的数据

（1）读写数据位：读数据置1，写数据置0

（2）第一个应答信号：信号时由从机发送给主机，如果从机收到之前的信息，回复0，没有收到或者（主机）读取接收完成回复1

（3）第二个应答信号：单片机需要存储器返回一个应答信号

（4）第三个应答信号：发送完数据后，需要再给主机发送应答信号0，告诉主机写入成功

（5）最后写入停止位：SCL为高电平，SDA为上升沿

（5）读数据帧

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  • 前半部分：指定地址写（但没来得及写），后半部分，指定地址读

  • 首先写入设备地址，然后写数据，

  • 接下来写寄存器的地址，在收到从机的应答信号之后，主机再发送一个起始号，

  • 再发送一遍设备地址，然后才能发送读数据，接下来，存储器会把寄存器中的数据发送给单片机。

  • 最后一部分的数据可以多来几个，就可以写多个数据，地址指针在读后会自增，就可以连续读出一片区域的寄存器，效率也会变高。

  • 主机给应答：从机就会继续发，主机给非应答，从机不会再法发，交出SDA的控制权，从机控制SDA发送一个字节的权力，开始于读写标志位1，结束于主机给应答位为1

（6）开漏输出和推挽输出

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任何设备在任何时刻都可以输入，但在输出部分，采用的是开漏输出
推挽输出：上面一个开关管接到正极，下面一个开关管接到负极，上面导通输出高电平，下面导通输出低电平,因为这是通过开关管直接接到正极和负极的，所以这个是强上拉和强下拉的模式
开漏输出：去掉强上拉的开关管，输出低电平时下面导通是强下拉，输出高电平时，下面断开但是没有上管了，引脚浮空，故所有设备只能输出低电平而不能输出高电平

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  • 为了避免高电平造成的引脚浮空，需要在总线外面SCL和SDA各置一个上拉电阻，弱上拉

  • 开漏加弱上拉模式：同时兼具的输入和输出的功能

  • 要输出时，就去拉杆子或者放手操作杆子变化就行了
  • 要输入时，就直接放手然后观察杆子高低就行了
  • 因为开路模式下，输出高电平就相当于断开硬件，所以在输入之前可以直接输出高电平，不需要再切换成输入模式
  • 第三就是这个模式会有个“线与”的现象，只要有任意一个或多个设备，输出了低电平，，总线就处于低电平
  • 只有所有的设备都输出高电平，总线才处于高电平

（7）两个实验

1、介绍协议规则，用软件模拟的形式实现协议（AT24C02存储器模块）

  • 通过数据线，实现单排年纪读写外挂模块寄存器的功能

  • 在指定的位置写寄存器，对外挂模块进行配置

  • 在指定的位置度寄存器，获取外挂模块的数据，读出的数据会显示显示屏上

本节课程主要有两个代码
1、软件I2C读写MPU6050
2、硬件I2C读写MPU6050
代码实现的效果是一样的
软件I2C读写MPU6050的程序现象

  • 通过软件I2C协议对MPU6050（在本实验中ID号为0x68）芯片内部的寄存器进行读写
  • 写入到配置寄存器，可以对外挂的模块及进行配置
  • 读出数据寄存器，可以获取外挂的数据
  • 最终显示在屏幕上
  • 最上面：id号
  • 左边：加速度传感器的输出数据（x轴y轴和z轴的加速度）
  • 右边：陀螺仪传感器的输出数据（x轴y轴和z轴的角速度）
  • 改变MPU6050传感器的姿态，6个数据就会对应变化

（8）异步时序和同步时序
a、异步时序

1、好处：省一根时钟线，节省资源

2、坏处：对时钟要求严格，发送方和接收方时钟不能由过大的偏差

传输过程中，单片机进中断，发送方时序暂停，接受方仍会按照约定的速率读取，传输出错

故异步时序的缺点：非常依赖硬件外设的支持，必须有USART电路才能方便的使用,否则很难用软件模拟。

b、同步时序（时钟要求不严格，对电路依赖度低）

1、设计时钟线，则对传输的时间要求变低

2、在单方面暂停传输时，时钟线也暂停，传输双方都能定格在暂停的时刻，可过段时间再来继续，

3、极大的降低单片机对硬件电路的依赖，没有硬件电路的支持，也可以很方便的用软件手动翻转电平来实现通信

三、MPU6050

(1)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，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景

  • 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

(2)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 ）
  • 陀螺仪满量程选择： ±250 、 ±500 、 ±1000 、 ±2000 （ °/sec ）
  • 可配置的数字低通滤波器
  • 可配置的时钟源
  • 可配置的采样分频
  • I2C从机地址：1101000（AD0=0）1101001（AD0=1）

例如从机地址为0x68，（0x68<<1）|1（或者（0x68<<1）|0）当作从机地址，因为传输的时候是8个字节，前七个是地址，最后一位是数据读写位

  • 若物体运动剧烈，选择大量程，防止加速度或角速度超出了量程
  • 若物体运动平缓，选择小量程，则测量的分辨率比较大
  • 满量程越大测量范围就越广
  • 满量程越小测量分辨率就越高
  • 满量程和加速度是线性关系
  • 可配置数字低通滤波器：配置寄存器对输出数据进行低通滤波，消除数据抖动，使数据输出平缓
  • 时钟源通过分频器的分频，可以为AD转换，给内部其他电路提供时钟
  • 控制分频系数就可以控制AD转换的快慢

（3）MPU6050硬件电路

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a、左上角LDO

  • 为低压差线性稳压器，输入端可以是3.3V到5V，经过后输出稳定3.3V的电压

    b、右下角J1 CON1模块

  • 左下角XCL和XDA通常就是用于外接磁力计或者气压计（在无人机需要定高飞行需要增加气压计的时候使用）

  • 当接上磁力计或气压计之后，MPU6050的主机接口可以直接访问这些扩展芯片的数据
  • 把这些扩展芯片的数据读取到MPO6050里面，在MPO6050里面会有DMP单元，进行数据融合和姿态解算
  • 若不需要MPO6050的解算功能，可以把磁力计或气压计直接挂载在SCL和SDA总线上
  • AD0引脚：是从机地址的最低位，接低电平时候，7为从机地址为110 1000，接高电平时，7位从机地址是110 1001，AD0接了一个电阻，故悬空是低电平状态，若想要接高电平，可以把AD0直接引导VCC上，强上拉至高电平
  • INT:中断输出引脚，可以配置芯片内部的一些事件来触发中断引脚的输出
  • 比如数据准备好了、I2C主机错误等

四、硬件I2C读写MPU6050代码

1、接线图

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SDA接在B11,SCL接在B10 ，软件IIC的两个引脚可以任意更改的，因为都是开漏输出，硬件接在哪个引脚上，程序中就对应操作哪个引脚

但是硬件IIC，通信引脚是不可以任意指定的，查表，由于PB6、PB7被OLED应用，所以用PB10、PB11,软件IIC的代码在此处也适用

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2、软件IIC改为硬件IIC

  • 第一步:开启I2C外设,对I2C2外设进行初始化，以替换MyI2C_Init

  • 第二步:控制外设电路，实现指定地址写的时序，以替换WriteReg

  • 第三步:控制外设电路，实现指定地址读的时序，以替换ReadReg

3、配置IIC外设初始化配置

  • 第一步：开启IIC外设和对应GPIO口的时钟

  • 第二步：把IIC外设和对应的GPIO口初始化为复用开漏模式

  • 第三步：使用结构体，对整个IIC进行配置
  • 第四步：I2C_Cmd,使能I2C

4、MPU6050.c代码

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#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"
 
#define MPU6050_ADDRESS		0xD0
 
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;
		}
	}
}
 
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//生成起始条件，实际是在操作CR1寄存器，置1，产生起始条件
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);//等待EV5事件的到来
	
	//发送从机地址，接收应答，直接向DR寄存器写入一个字节即可
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);//I2C2、从机地址、发送（即最低地址清0）
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);
	
	I2C_SendData(I2C2, RegAddress);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);//字节正在发送中
	
	I2C_SendData(I2C2, Data);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);//字节已经发送完毕transmitted
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//生成终止条件
}
 
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	
	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);
	
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);
	
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);
	Data = I2C_ReceiveData(I2C2);
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);
	
	return Data;
}
 
void MPU6050_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);//使能IIC
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB口
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//用结构体初始化
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; //复用开漏模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;//50KHz,在0~100KHZ范围内，标准速度，100KHZ~400kHZ快速
	//速度快的时候，低电平的时间需要多一些，因为低电平数据可能翻转，需要时间，高电平时，读取数据
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;//低电平时间和高电平时间是2：1
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;//配置ACK应答位，默认是给应答的
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;//stm32作为从机，可以响应多少位的地址
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;//stm32暂时不作为从机，可以随便给个地址，只要不跟别的主机冲突即可
	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);
}
 
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;
}

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#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);
	}
}