STM32 学习笔记【补充】（十）硬件I2C读写MPU6050

该系列为笔者在学习STM32过程（主线是江科大的视频）中的记录与发散思考。

初学难免有所纰漏、错误，还望大家不吝指正，感谢~

一、I2C 外设简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种多主多从的串行通信协议，广泛应用于短距离、低速率的设备通信中，例如传感器、存储器等。I2C 具有以下特点：

双线通信：需两根信号线，分别是 SDA（数据线）和 SCL（时钟线）。
支持多主多从：通过设备地址实现主从设备通信。
简单的通信协议：包括起始信号、停止信号、数据传输、ACK/NACK 等。
灵活的数据速率：标准模式（100kHz）、快速模式（400kHz）

二、I2C 框图

SDA 数据控制

数据寄存器
- 数据寄存器是 I2C 数据传输的接口，用于存储即将发送或刚接收的数据。
数据移位寄存器
- 数据移位寄存器在实际传输时逐位处理数据，配合 SDA 线完成字节级数据的发送与接收。
PEC（帧错误校验）计算与存储
- PEC模块，硬件自动进行CRC校验计算，用于计算帧错误校验运算，得到一个字节的校验位，附在数据帧后。

SCL 时钟控制

时钟控制模块
- 时钟控制寄存器（CCR）：配置 I2C 的通信速率（如标准模式 100kHz、快速模式 400kHz）。
- 时钟控制器：生成同步时钟信号，保证主从设备数据同步。
控制寄存器（CR1 和 CR2）
- CR1：用于配置基本 I2C 功能，如使能 I2C 外设、生成启动和停止条件等。
- CR2：用于配置 I2C 时钟频率和 DMA 功能。
状态寄存器（SR1 和 SR2）
- SR1：实时记录 I2C 通信状态，如发送成功、接收完成等。
- SR2：提供 I2C 外设的详细状态信息，包括主从模式、总线忙碌状态等。。
DMA 请求与响应
- I2C 可通过 DMA（直接存储器访问）模块高效传输大量数据，减少 CPU 的负载。
中断处理
- I2C 支持多种中断源（如起始条件检测、停止条件检测、数据发送完成等），通过中断处理提高响应速度。

三、I2C基本结构

内部简化结构如下：

时钟控制器：负责生成时钟信号，确保主从设备同步。
数据控制器：管理数据的接收和发送。
移位寄存器：在数据传输过程中存储当前发送或接收的字节。向左移位，发送时高位先行。接收时从右边依次移入。
数据寄存器（DR）：作为应用程序与外设之间的数据接口。
GPIO 接口：配置成复用（交由片上外设控制）开漏输出（I2C协议要求）的模式，通过 SDA 和 SCL 引脚实现物理通信。
开关控制：配置好了相关设置就使能外设。

四、主机发送

I2C协议规定：起始条件发生后第一个字节为地址，后面数据由各个芯片来规定。（MPU6050：地址后一位为指定寄存器地址，后续为写入寄存器的数据。）

Start：由CR（控制寄存器）控制，产生起始条件。
SB：状态寄存器的一位，表明硬件状态。
TxE：标志位，TxE=1，表明TDR（数据寄存器）为空。
ADDR = 1：地址发送结束
BTF =1： 字节发送结束（一个新数据将被发送且DR中未写入新数据）

五、主机接收

ACK=0：控制寄存器响应位置零，给出非应答。

其他逻辑与主机发送差不多，对应着看看=-=

六、代码部分

MPU6050配置

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

#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C从机地址

/**
  * 函    数：MPU6050等待事件
  * 参    数：同I2C_CheckEvent
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
	uint32_t Timeout;
	Timeout = 10000;									//给定超时计数时间
	while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)	//循环等待指定事件
	{
		Timeout --;										//等待时，计数值自减
		if (Timeout == 0)								//自减到0后，等待超时
		{
			/*超时的错误处理代码，可以添加到此处*/
			break;										//跳出等待，不等了
		}
	}
}

/**
  * 函    数：MPU6050写寄存器
  * 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
  * 参    数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始条件
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C发送从机地址，方向为发送
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6
	
	I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C发送寄存器地址
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);			//等待EV8
	
	I2C_SendData(I2C2, Data);												//硬件I2C发送数据
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2
	
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//硬件I2C生成终止条件
}

/**
  * 函    数：MPU6050读寄存器
  * 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
  * 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
  */
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始条件
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C发送从机地址，方向为发送
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6
	
	I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C发送寄存器地址
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2
	
	I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成重复起始条件
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5
	
	I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);		//硬件I2C发送从机地址，方向为接收
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);		//等待EV6
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);									//在接收最后一个字节之前提前将应答失能
	I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//在接收最后一个字节之前提前申请停止条件
	
	MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);				//等待EV7
	Data = I2C_ReceiveData(I2C2);											//接收数据寄存器
	
	I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);									//将应答恢复为使能，为了不影响后续可能产生的读取多字节操作
	
	return Data;
}

/**
  * 函    数：MPU6050初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MPU6050_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);		//开启I2C2的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	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);					//将PB10和PB11引脚初始化为复用开漏输出
	
	/*I2C初始化*/
	I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;						//定义结构体变量
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;				//模式，选择为I2C模式
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;				//时钟速度，选择为50KHz
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;		//时钟占空比，选择Tlow/Thigh = 2
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;				//应答，选择使能
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;	//应答地址，选择7位，从机模式下才有效
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;				//自身地址，从机模式下才有效
	I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);						//将结构体变量交给I2C_Init，配置I2C2
	
	/*I2C使能*/
	I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);									//使能I2C2，开始运行
	
	/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);				//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);				//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);				//采样率分频寄存器，配置采样率
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);					//配置寄存器，配置DLPF
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);			//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/s
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);			//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}


/**
  * 函    数：MPU6050获取ID号
  * 参    数：无
  * 返 回 值：MPU6050的ID号
  */
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
	return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}

/**
  * 函    数：MPU6050获取数据
  * 参    数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
  * 参    数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
  * 返 回 值：无
  */
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;								//定义数据高8位和低8位的变量
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据
	*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据
	*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据
	*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据
	*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据
	*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
	
	DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据
	DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据
	*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
}

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