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1.I2C介绍
I2C总线是一种通用数据总线,两根通信线:SCL(Serial Clock)、SDA(Serial Data)
同步,半双工,带数据应答,支持总线挂载多设备(一主多从、多主多从)
2.硬件电路
所有I2C设备的SCL连在一起,SDA连在一起,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
3.I2C时基单元
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
起始条件
SCL高电平期间,SDA从高电平切换到低电平
终止条件
SCL高电平期间,SDA从低电平切换到高电平
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
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
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
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。
4.MPU6050简介与应用
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。
5.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
6.硬件电路
引脚功能图
7.I2C基本结构
8.软件I2C读写MPU6050
接线图:
main.c
#include "stm32f10x.h"
#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);}
}
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sclMyI2C_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sdaMyI2C_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sdafor (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1MyI2C_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_Hvoid 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1MyI2C_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_Hvoid 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
#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
9.硬件I2C读写MPU6050
接线图
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);}
}
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0MPU6050_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0I2C_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400KHzI2C_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1I2C_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_Hvoid 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