ARM I2C通信

2023-12-13 22:06:14

1.概念

	I2C总线是PHLIPS公司在八十年代初推出的一种串行的半双工同步总线,主要用于连接整体电路

2.IIC总线硬件连接

在这里插入图片描述

1.IIC总线支持多主机多从机,但是在实际开发过程中,大多数采用单主机多从机模式
2.挂接到IIC总线上,每个从机设备都有自己的7bit从机地址
3.在总线上,发送数据的叫做发送器,接收数据叫做接收器
4.主动发起数据的叫做主机,只能被动接收数据的叫做从机
5.时钟信号由主机产生,作用:给从机,为了IIC总线上传输数据同步

3.IIC总线时序

3.1起始信号

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在SCL为高电平期间,SDA从高到低的变化(下降沿),属于起始信号
起始信号由主机产生,起始信号产生之后,总线占用状态

3.2停止信号

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在SCL为高电平期间,SDA从低到高的变化(上升沿),属于终止信号
停止信号由主机产生,停止信号产生之后,总线空闲状态

3.3数据传输信号(读写)

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1.在SCL为高电平期间,数据线上的数据保持稳定,接收器从数据线上读取数据
2.在SCL为低电平期间,数据线上的数据允许变化,发送器向数据线上写入数据

3.4应答信号

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1.每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时,先传送高位,在发送低位,每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位)
2.发送器在发送完8位数据位之后,接收器在第9个时钟周期,返回一个应答信号(0),或者非应答信号(1)
    在第9个时钟周期,接收器向数据线上写入数据
    在第9个时钟周期,发送器从数据线上读取数据
    如果读取到0,代表应答信号
    如果读取到1,代表非应答信号

3.5寻址

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1.IIC总线上传输数据是广义的,可以传输地址信号,也可以传输数据信号
2.主机在产生起始信号之后,必须传送7位从机地址,加上读写位
3.用0表示写,用1表示读

4.IIC框图

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5.IIC总线协议

5.1主机给从机发送一个字节

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5.2主机给从机发送多个连续字节

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5.3主机从从机读一个字节

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5.4主机从从机读多个连续字节

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6.GPIO模拟IIC协议

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7.分析SI7006芯片手册

7.1思路

1.分析SI7006芯片手册内部实现框图
2.分析SI7006从机地址
3.分析SI7006芯片通信协议
4.分析找到采集温湿度传感器命令码
5.找到将采集的模拟量转换为数字量的公式
6.分析SI7006初始化的值

7.2从机地址

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通过以上分析可知,si7006芯片从机地址0x40
从机地址 + 读:0x40 << 1 | 1
从机地址 + 写:0x40 << 1 | 0

7.3分析命令码

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7.4协议

在这里插入图片描述

7.5公式

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

7.6初始化值

在这里插入图片描述

8.代码

// si7006.h
#ifndef __SI7006_H__
#define __SI7006_H__

#include "iic.h"
#define SI7006_SLAVE 0x40

void si7006_init(void);

unsigned short si7006_read_hum_data(unsigned char slave_addr, unsigned char cmd_code);
short si7006_read_temp_data(unsigned char slave_addr, unsigned char cmd_code);

#endif //__SI7006_H__

// si7006.c
#include "iic.h"
#include "si7006.h"
/*
 * 函数名:si7006_init
 * 函数功能:SI7006芯片的初始化
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 */
extern void delay(int ms);
// 往SI7006芯片0XE6写入0X3A
void si7006_init(void)
{
	// I2初始化
	i2c_init();
	// 发送起始信号
	i2c_start();
	// 主机发送7位从机地址+1位写位
	i2c_write_byte(0X40 << 1 | 0);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送寄存器地址
	i2c_write_byte(0XE6);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送要写的数据
	i2c_write_byte(0X3A);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送终止信号
	i2c_stop();
}
/*
 * 函数名:si7006_read_hum_data
 * 函数功能:读取SI7006的湿度转换结果
 * 函数参数:
 *     slave_addr : 从机地址
 *     cmd_code : 命令码
 * 函数返回值:湿度测量的数字量
 */
unsigned short si7006_read_hum_data(unsigned char slave_addr,
									unsigned char cmd_code)
{
	unsigned short dat;			// 保存读取到的湿度数据
	unsigned char dat_h, dat_l; // 保存读取到的数据的高八位和低八位
	// 发送起始信号
	i2c_start();
	// 主机发送7位从机地址+1位写位
	i2c_write_byte(slave_addr << 1 | 0);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送寄存器地址
	i2c_write_byte(cmd_code);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送第二次起始信号
	i2c_start();
	// 主机发送7位从机地址+1位写位
	i2c_write_byte(slave_addr << 1 | 1);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 延时等待从机测量数据
	delay(100);
	// 读取数据的高8位
	dat_h = i2c_read_byte(0); // 读取完毕发送应答信号
	// 读取数据的低8位
	dat_l = i2c_read_byte(1); // 读取完毕发送非应答信号
	// 发送停止信号
	i2c_stop();
	// 将读取到的数据整合到一起
	dat = (dat_h << 8) | dat_l;
	return dat;
}
/*
 * 函数名:si7006_read_temp_data
 * 函数功能:读取SI7006的温度转换结果
 * 函数参数:
 *     slave_addr : 从机地址
 *     cmd_code : 命令码
 * 函数返回值:温度测量的数字量
 */
short si7006_read_temp_data(unsigned char slave_addr,
							unsigned char cmd_code)
{
	short dat;		   // 保存读取到的温度数据
	char dat_h, dat_l; // 保存读取到的数据的高八位和低八位
	// 发送起始信号
	i2c_start();
	// 主机发送7位从机地址+1位写位
	i2c_write_byte(slave_addr << 1 | 0);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送寄存器地址
	i2c_write_byte(cmd_code);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 发送第二次起始信号
	i2c_start();
	// 主机发送7位从机地址+1位写位
	i2c_write_byte(slave_addr << 1 | 1);
	// 等待从机回应
	i2c_wait_ack();
	// 延时等待从机测量数据
	delay(100);
	// 读取数据的高8位
	dat_h = i2c_read_byte(0); // 读取完毕发送应答信号
	// 读取数据的低8位
	dat_l = i2c_read_byte(1); // 读取完毕发送非应答信号
	// 发送停止信号
	i2c_stop();
	// 将读取到的数据整合到一起
	dat = (dat_h << 8) | dat_l;
	return dat;
}

// iic.h
#ifndef __IIC_H__
#define __IIC_H__
#include "stm32mp1xx_gpio.h"
#include "stm32mp1xx_rcc.h"
// #include "gpio.h"
/* 通过程序模拟实现I2C总线的时序和协议
 * GPIOF ---> AHB4
 * I2C1_SCL ---> PF14
 * I2C1_SDA ---> PF15
 *
 * */

#define SET_SDA_OUT                     \
	do                                  \
	{                                   \
		GPIOF->MODER &= (~(0x3 << 30)); \
		GPIOF->MODER |= (0x1 << 30);    \
	} while (0)
#define SET_SDA_IN                      \
	do                                  \
	{                                   \
		GPIOF->MODER &= (~(0x3 << 30)); \
	} while (0)

#define I2C_SCL_H                   \
	do                              \
	{                               \
		GPIOF->BSRR |= (0x1 << 14); \
	} while (0)
#define I2C_SCL_L                  \
	do                             \
	{                              \
		GPIOF->BRR |= (0x1 << 14); \
	} while (0)

#define I2C_SDA_H                   \
	do                              \
	{                               \
		GPIOF->BSRR |= (0x1 << 15); \
	} while (0)
#define I2C_SDA_L                  \
	do                             \
	{                              \
		GPIOF->BRR |= (0x1 << 15); \
	} while (0)

#define I2C_SDA_READ (GPIOF->IDR & (0x1 << 15))

void delay_us(void);
void i2c_init(void);
void i2c_start(void);
void i2c_stop(void);
void i2c_write_byte(unsigned char dat);
unsigned char i2c_read_byte(unsigned char ack);
unsigned char i2c_wait_ack(void);
void i2c_ack(void);
void i2c_nack(void);

#endif

// icc.h
#include "iic.h"

extern void printf(const char *fmt, ...);
/*
 * 函数名 : delay_us
 * 函数功能:延时函数
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */
void delay_us(void)
{
	unsigned int i = 2000;
	while (i--)
		;
}
/*
 * 函数名 : i2c_init
 * 函数功能: i2C总线引脚的初始化, 通用输出,推挽输出,输出速度,
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */
void i2c_init(void)
{
	// 使能GPIOF端口的时钟
	RCC->MP_AHB4ENSETR |= (0x1 << 5);
	// 设置PF14,PF15引脚为通用的输出功能
	GPIOF->MODER &= (~(0xF << 28));
	GPIOF->MODER |= (0x5 << 28);
	// 设置PF14, PF15引脚为推挽输出
	GPIOF->OTYPER &= (~(0x3 << 14));
	// 设置PF14, PF15引脚为高速输出
	GPIOF->OSPEEDR |= (0xF << 28);
	// 设置PF14, PF15引脚的禁止上拉和下拉
	GPIOF->PUPDR &= (~(0xF << 28));
	// 空闲状态SDA和SCL拉高
	I2C_SCL_H;
	I2C_SDA_H;
}

/*
 * 函数名:i2c_start
 * 函数功能:模拟i2c开始信号的时序
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */
void i2c_start(void)
{
	/*
	 * 开始信号:时钟在高电平期间,数据线从高到低的变化
	 *     --------
	 * SCL         \
	 *              --------
	 *     ----
	 * SDA     \
	 *          --------
	 * */
	// 确保SDA是输出状态 PF15输出
	SET_SDA_OUT;
	// 空闲状态SDA和SCL拉高
	I2C_SCL_H;
	I2C_SDA_H;
	delay_us(); // 延时等待一段时间
	I2C_SDA_L;	// 数据线拉低
	delay_us(); // 延时等待一段时间
	I2C_SCL_L;	// 时钟线拉低,让总线处于占用状态
}

/*
 * 函数名:i2c_stop
 * 函数功能:模拟i2c停止信号的时序
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */

void i2c_stop(void)
{
	/*
	 * 停止信号 : 时钟在高电平期间,数据线从低到高的变化
	 *             ----------
	 * SCL        /
	 *    --------
	 *    ---         -------
	 * SDA   X       /
	 *    --- -------
	 * */
	// 确保SDA是输出状态 PF15输出
	SET_SDA_OUT;
	// 时钟线拉低
	I2C_SCL_L;
	delay_us(); // 延时等待一段时间
	I2C_SDA_L;	// 数据线拉低
	delay_us(); // 延时等待一段时间
	// 时钟线拉高
	I2C_SCL_H;
	delay_us(); // 延时等待一段时间
	I2C_SDA_H;	// 数据线拉高
}

/*
 * 函数名: i2c_write_byte
 * 函数功能:主机向i2c总线上的从设备写8bits数据
 * 函数参数:dat : 等待发送的字节数据
 * 函数返回值: 无
 * */

void i2c_write_byte(unsigned char dat)
{
	/*
	 * 数据信号:时钟在低电平期间,发送器向数据线上写入数据
	 *          时钟在高电平期间,接收器从数据线上读取数据
	 *      ----          --------
	 *  SCL     \        /        \
	 *           --------          --------
	 *      -------- ------------------ ---
	 *  SDA         X                  X
	 *      -------- ------------------ ---
	 *
	 *      先发送高位在发送低位
	 * */
	// 确保SDA是输出状态 PF15输出
	SET_SDA_OUT;
	unsigned int i;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		// 时钟线拉低
		I2C_SCL_L;
		delay_us(); // 延时
		// 0X3A->0011 1010   0X80->10000000
		if (dat & 0X80) // 最高位为1
		{
			// 发送1
			I2C_SDA_H;
		}
		else // 最高位为0
		{
			I2C_SDA_L; // 发送0
		}
		delay_us(); // 延时
		// 时钟线拉高,接收器接收
		I2C_SCL_H;
		delay_us(); // 延时,用于等待接收器接收数据
		delay_us(); // 延时
		// 将数据左移一位,让原来第6位变为第7位
		dat = dat << 1;
	}
}

/*
 * 函数名:i2c_read_byte
 * 函数功能: 主机从i2c总线上的从设备读8bits数据,
 *          主机发送一个应答或者非应答信号
 * 函数参数: 0 : 应答信号   1 : 非应答信号
 * 函数返回值:读到的有效数据
 *
 * */
unsigned char i2c_read_byte(unsigned char ack)
{
	/*
	 * 数据信号:时钟在低电平期间,发送器向数据线上写入数据
	 *          时钟在高电平期间,接收器从数据线上读取数据
	 *      ----          --------
	 *  SCL     \        /        \
	 *           --------          --------
	 *      -------- ------------------ ---
	 *  SDA         X                  X
	 *      -------- ------------------ ---
	 *
	 *      先接收高位, 在接收低位
	 * */
	unsigned int i;
	unsigned char dat; // 保存接受的数据
	// 将数据线设置为输入
	SET_SDA_IN;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		// 先把时钟线拉低,等一段时间,保证发送器发送完毕数据
		I2C_SCL_L;
		delay_us();
		delay_us(); // 保证发送器发送完数据
		// 时钟线拉高,读取数据
		I2C_SCL_H;
		delay_us();
		dat = dat << 1;	  // 数值左移  0000 0000
		if (I2C_SDA_READ) // pf15管脚得到了一个高电平输入
		{
			dat |= 1; // 0000 0110
		}
		else
		{
			dat &= (~0X1);
		}
		delay_us();
	}
	if (ack)
	{
		i2c_nack(); // 发送非应答信号,不再接收下一次数据
	}
	else
	{
		i2c_ack(); // 发送应答信号
	}
	return dat;
}
/*
 * 函数名: i2c_wait_ack
 * 函数功能: 主机作为发送器时,等待接收器返回的应答信号
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:
 *                  0:接收到的应答信号
 *                  1:接收到的非应答信号
 * */
unsigned char i2c_wait_ack(void)
{
	/*
	 * 主机发送一个字节之后,从机给主机返回一个应答信号
	 *
	 *                   -----------
	 * SCL              /   M:读    \
	 *     -------------             --------
	 *     --- ---- --------------------
	 * SDA    X    X
	 *     ---      --------------------
	 *     主  释   从机    主机
	 *     机  放   向数据  读数据线
	 *         总   线写    上的数据
	 *         线   数据
	 * */
	// 时钟线拉低,接收器可以发送信号
	I2C_SCL_L;
	I2C_SDA_H; // 先把数据线拉高,当接收器回应应答信号时,数据线会拉低
	delay_us();
	SET_SDA_IN; // 设置数据线为输入
	delay_us();
	delay_us();
	I2C_SCL_H;		  // 用于读取数据线数据
	if (I2C_SDA_READ) // PF15得到一个高电平输入,收到非应答信号
		return 1;
	I2C_SCL_L; // 时钟线拉低,让数据线处于占用状态
	return 0;
}
/*
 * 函数名: iic_ack
 * 函数功能: 主机作为接收器时,给发送器发送应答信号
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */
void i2c_ack(void)
{
	/*            --------
	 * SCL       /        \
	 *    -------          ------
	 *    ---
	 * SDA   X
	 *    --- -------------
	 * */
	// 保证数据线是输出
	SET_SDA_OUT;
	I2C_SCL_L; // 拉低时钟线
	delay_us();
	I2C_SDA_L; // 数据线拉低,表示应答信号
	delay_us();
	I2C_SCL_H; // 时钟线拉高,等待发送器读取应答信号
	delay_us();
	delay_us();
	I2C_SCL_L; // 数据线处于占用状态,发送器发送下一次数据
}
/*
 * 函数名: iic_nack
 * 函数功能: 主机作为接收器时,给发送器发送非应答信号
 * 函数参数:无
 * 函数返回值:无
 * */
void i2c_nack(void)
{
	/*            --------
	 * SCL       /        \
	 *    -------          ------
	 *    --- ---------------
	 * SDA   X
	 *    ---
	 * */
	// 保证数据线是输出
	SET_SDA_OUT;
	I2C_SCL_L; // 拉低时钟线
	delay_us();
	I2C_SDA_H; // 数据线拉高,表示非应答信号
	delay_us();
	I2C_SCL_H; // 时钟线拉高,等待发送器读取应答信号
	delay_us();
	delay_us();
	I2C_SCL_L; // 数据线处于占用状态,发送器发送下一次数据
}

// main.c
#include "si7006.h"

void delay(int ms)
{
  int i, j;
  for (i = 0; i < ms; i++)
  {
    for (j = 0; j < 2000; j++)
      ;
  }
}
int main()
{
  unsigned short hum;
  short tem;
  // 进行si7006的初始化
  si7006_init();
  while (1)
  {
    // 读取湿度
    hum = si7006_read_hum_data(0X40, 0XE5);
    // 读取温度
    tem = si7006_read_temp_data(0X40, 0XE3);
    // 将温度数据和湿度数据按照转换公式进行转换
    hum = 125 * hum / 65536 - 6;
    tem = 175.72 * tem / 65536 - 46.85;
    delay(1000); // 延时打印
    // 将获取到的数据打印到串口
    printf("hum:%d\n", hum);
    printf("tem:%d\n", tem);
  }

  return 0;
}

文章来源:https://blog.csdn.net/m0_51235177/article/details/134981231
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