【江协STM32】10-4/5 I2C通信外设、硬件I2C读写MPU6050

news2025/1/14 4:59:03

1. I2C外设简介

  • STM32内部集成了硬件I2C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
I2C框图
I2C基本结构
I2C主机发送操作流程
I2C主机接收操作流程

硬件I2C的波形会更加规整，每个时钟的周期、占空比都非常一致。软件I2C由于操作引脚之后加了延时，这个延时有时加的多、有时加的少，所以软件时序的时钟周期、占空比可能不规整，不过由于I2C是同步时序，这些不规整也没有影响。

SCL低电平写，高电平读，虽然整个电平的任意时刻都可以读写，但一般要求保证尽早的原则，所以可以直接认为是SCL下降沿写，上升沿读。软件I2C在下降沿之后，因为操作端口之后有一些延时，所以等了一会才进行写入操作。但在硬件I2C中，数据写入都紧贴下降沿的（SCL下降沿，SDA立马切换数据），读的时刻也是紧贴上升沿进行的。还是由于I2C是同步时序，这些不标准的波形也不影响通信。

软件I2C时序波形
硬件I2C时序波形

2. 硬件I2C读写MPU6050

2.1 接线图

I2C1_SCL和I2C1_SDA引脚分别为PB6和PB7，其重映射为PB8和PB9，但由于这几个引脚都在板子右下角，被OLED占用，不方便接线，所以使用I2C2。I2C2_SCL和I2C2_SDA引脚分别为PB10和PB11。

2.2 代码

主函数和程序现象与软件I2C相同，区别在于通信的底层（MyI2C.c），所以本工程不需要MyI2C模块。

基于软件I2C代码修改，主要任务为：第一步，配置I2C外设，对I2C2外设进行初始化，替换MyI2C_Init()；第二步，控制外设电路，实现指定地址写的时序，替换MPU6050_WriteReg()；第三步，控制外设电路，实现指定地址读的时序，替换MPU6050_ReadReg()。

配置I2C外设：

  1. 开启I2C外设和对应GPIO口的时钟
  2. 把I2C外设对应的GPIO口初始化为复用开漏模式
  3. 使用结构体，对整个I2C进行配置
  4. 使能I2C

MPU6050.c

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

#define MPU6050_ADDRESS 0xD0

//  封装I2C_CheckEvent和超时退出循环
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
    uint32_t Timeout;
    Timeout = 10000;
    while(I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)//   监测EVx事件是否发生
    { // 循环超时退出机制，防止意外卡死
        Timeout--;
        if(Timeout == 0)
        {
            break;//    跳出循环
        }
    }
}

// 指定地址写
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
//    MyI2C_Start();
//    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);// 发送从机地址+读写位
//    MyI2C_ReceiveAck();//   接收应答
//    MyI2C_SendByte(RegAddress);//   指定寄存器地址
//    MyI2C_ReceiveAck();
//    MyI2C_SendByte(Data);//   发送写入指定寄存器地址下的数据
//    MyI2C_ReceiveAck();
//    MyI2C_Stop();
    
    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//  生成起始条件
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);//   监测EV5事件是否发生
    
    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);//   发送从机地址，第3个参数是读写位
    //  库函数中发送数据都自带了接收应答的过程。同样，接收数据也自带了发送应答的过程。
    //  如果应答错误，硬件会通过标志位和中断提示。所以发送地址后应答位就不需要处理了
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);// 等待EV6事件
    
    I2C_SendData(I2C2, RegAddress);//   发送寄存器地址
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);//   检查EV8事件
    
    I2C_SendData(I2C2, Data);// 发送数据
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);//   发送完最后一个字节，等待EV8_2事件
    
    I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//   终止时序
}

//  指定地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;
    
//    MyI2C_Start();
//    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);// 发送从机地址+读写位
//    MyI2C_ReceiveAck();//   接收应答
//    MyI2C_SendByte(RegAddress);//   指定寄存器地址
//    MyI2C_ReceiveAck();
//    
//    MyI2C_Start();//    重复起始条件
//    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0xD1);//   读写位1，读出数据
//    MyI2C_ReceiveAck();
//    Data = MyI2C_ReceiveByte();//   从机发送数据，主机接收数据
//    MyI2C_SendAck(1);//  这里只想要1个字节，所以不给从机应答
//    MyI2C_Stop();
    
    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//  生成起始条件
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);//   监测EV5事件是否发生
    
    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);//   发送从机地址，第3个参数是读写位
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);// 等待EV6事件
    
    I2C_SendData(I2C2, RegAddress);//   发送寄存器地址
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);//   检查EV8事件
    
    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);//  重复起始条件
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);// 等待EV5事件
    
    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);//   发送从机地址，第3个参数是读写位
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);// 等待EV6事件
    
    //  这里需要在接收完成前提前设置Ack非应答和终止时序
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);// 配置ACK位，临时给非应答
    I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);//   终止时序
    
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);//   等待EV7事件产生后，一个字节的数据就已经在DR内了
    Data = I2C_ReceiveData(I2C2);//    读取DR
    
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);// 配置ACK位，给应答，为了方便指定地址收多个字节
    //  虽然现在程序中只有收一个字节，但写一下方便之后改进

    return Data;
}

void MPU6050_Init(void)
{
//    MyI2C_Init();
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;//	复用开漏模式。开漏是I2C协议的设计要求，复用是GPIO的控制权要交给硬件外设
	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_Ack = I2C_Ack_Enable;// 应答位
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;// 指定STM32作为从机可以响应几位的地址，STM32作为从机模式才会用到
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;//  时钟频率
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;//   时钟占空比。此参数只有在时钟频率>100kHz(进入快速状态)时才生效，在<=100kHz(标准速度)下为固定的1:1
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;// 自身地址1。STM32作为从机使用，用于指定STM32的自身地址。如果I2C_AcknowledgedAddress选择了响应7位地址，这里就要指定一个自身的7位地址
    I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);
    
    I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);
    
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//   配置PWR_MGMT_1寄存器，解除睡眠，选择X轴陀螺仪时钟
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//   采样率分频，决定了数据输出的快慢。10分频
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);//   数字低通滤波器给110
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//  陀螺仪配置，选择最大量程11
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);// 加速度计配置，选择最大量程11
    
}

uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
    return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}

//  由于需要返回6个变量，使用指针的地址传递
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                        int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
    uint8_t Data_H, Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);//    加速度寄存器X轴高8位
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
    *AccX = (Data_H << 8) | Data_L;//   加速度计X轴的16位数据
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
    *AccY = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
    *AccZ = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);//    陀螺仪寄存器X轴高8位
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
    *GyroX = (Data_H << 8) | Data_L;//   陀螺仪X轴的16位数据
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
    *GyroY = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
    *GyroZ = (Data_H << 8) | Data_L;
}

代码其他部分见（【江协STM32】10-2/3 MPU6050简介、软件I2C读写MPU6050，第2.2节）

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