以MPU6050为例的硬件IIC的使用

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参考调试MPU6050与EEPROM的经验，整合了目标内存/寄存器地址是否为16位的情况，合并了单字节与多字节间的操作，添加了返回值与读写超时功能：硬件IIC的7位从机地址查询方式读写参考代码 - JayWell - 博客园 (cnblogs.com)

很久以前听说过硬件IIC的“难用”，也在其他单片机上尝试过调试硬件IIC，调“通”过，却很容易卡死，于是默默给硬件IIC贴上个“不稳定”的标签，之后就一直用软件模拟IIC。

CH582这块单片机主攻蓝牙相关的功能，也有硬件IIC这个模块。考虑到低功耗蓝牙对时间的把控比较严格，相比软件IIC，硬件IIC能够帮助节省模拟时序代码中“无意义”的等待，且时序更精准，能达到更高的通信速率，更契合在蓝牙方面的应用，再加上有中断功能，还是有不错的应用价值的。

以下代码以MPU6050外设为例，简单验证了三个方向的加速度读取数值——转动MPU6050，各方向读取的数据有相应变化。

先贴一波MPU6050寄存器相关的宏定义：

#define SMPLRT_DIV              0x19 //陀螺仪采样率典型值为0x07 1000/(1+7)=125HZ
#define CONFIG                  0x1A //低通滤波器 典型值0x06 5hz
#define GYRO_CONFIG             0x1B //陀螺仪测量范围 0x18正负2000度
#define ACCEL_CONFIG            0x1C //加速度计测量范围 0x18正负16g
#define ACCEL_CONFIG2           0x1D //加速度计低通滤波器 0x06 5hz

#define USER_CTRL               0x6A //用户配置当为0x10时使用SPI模式
#define PWR_MGMT_1              0x6B //电源管理1典型值为0x00
#define PWR_MGMT_2              0x6C //电源管理2典型值为0x00

#define WHO_AM_I                0x75 //器件ID MPU6050默认返回值为0x68

#define I2C_ADDR_MPU6050        0xD0 //左移一位后的地址           
                              //0x68 //没有左移一位的7位地址

#define ACCEL_XOUT_H            0x3B  //加速度计输出数据
#define ACCEL_XOUT_L            0x3C
#define ACCEL_YOUT_H            0x3D
#define ACCEL_YOUT_L            0x3E
#define ACCEL_ZOUT_H            0x3F
#define ACCEL_ZOUT_L            0x40

#define TEMP_OUT_H              0x41  //温度计输出数据
#define TEMP_OUT_L              0x42

#define GYRO_XOUT_H             0x43  //陀螺仪输出数据
#define GYRO_XOUT_L             0x44
#define GYRO_YOUT_H             0x45
#define GYRO_YOUT_L             0x46
#define GYRO_ZOUT_H             0x47
#define GYRO_ZOUT_L             0x48        

 硬件IIC的“难用”，一部分归“功”于标志位之多——保证了其可靠性，可也限制了其稳健性，错过一个ACK就有可能导致卡死，导致下次判忙一直为Busy等问题。以下贴出相关标志位，具体描述详见CH58x系列手册和EVT包中的IIC接口使用指南。

/*各标志位
* AF： 应答失败
* BUSY：    总线忙标志位，该位在检测到一个停止位时会被清零
* MSL： 　  主从模式指示位，当接口处于主模式时（SB=1），硬件将该位置位
* SB： 　　 起始位发送标志位，读取状态寄存器 1 后写数据寄存器的操作将清除该位
* ADDR：   地址被发送/地址匹配标志位，用户读取状态寄存器 1后，对状态寄存器 2的读操作将会清除此位
* TxE： 　　数据寄存器为空标志位，向数据寄存器写数据可以清除，或者产生一个起始或者停止位后由硬件自动清除。TxE=0表示非空
* TRA: 　　 发送 /接收标志位 ，在检测到停止事件（STOPF=1），重复的起始条件时由硬件清零。该位根据地址字节的 R/W位来决定
* BTF： 　　字节发送结束标志位，用户读取状态寄存器 1后，对数据寄存器的读写将清除此位；在传输中，发起一个起始或者停止事件后，由硬件清除次位
*/

IIC的读写时序和协议特性这里就不再介绍了，网上能找到很多资料。

和单片机上地其他硬件资源一样，使用前记得先初始化。我使用的MPU6050模块上有时钟线和数据线的上拉电阻，自己制板或是焊接，一定要在这两根信号线上加上拉。

GPIOB_ModeCfg(GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13, GPIO_ModeIN_PU);   //PB12：SDA，PB13：SCL     内部上拉较弱，可能需要外部上拉
I2C_Init(I2C_Mode_I2C, 400000, I2C_DutyCycle_16_9, I2C_Ack_Enable, I2C_AckAddr_7bit, Host_No_Addr);     
　　　　//选择IIC模式，400k速率，选择占空比，默认开启ACK（接收模式必须开启），作从机时使用地址位数为7位，作从机时的地址（本测试中单片机为主机模式，后面两个参数不起作用）

习惯性地，我在使用MPU6050之前会“问一问它是谁”（只连一个MPU6050的话，不识别设备ID也行，直接初始化）。MPU6050模块上一般有个AD0引脚或焊盘，悬空或者接地，读WHO_AM_I寄存器，会返回0x68；接上高电平，会返回0x69，此时I2C_ADDR_MPU6050这个宏也就不要设为0x68左移1位了，也要改为0x69左移一位。

temp_data = IIC_read_reg(I2C_ADDR_MPU6050, (WHO_AM_I | 0x80));      //获取器件ID
PRINT("0x%2x\n", temp_data);

这就需要读寄存器的代码，下面是返回一个字节的读代码↓

//从从机的某寄存器，读取一个字节的数据
uint8_t IIC_read_reg(uint8_t addr, uint8_t reg)
{
    uint8_t data = 0;

//主机通知从机要读取它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY));                            //IIC主机判忙
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               //发送地址+最低位0表示为“写”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //判断BUSY, MSL, ADDR, TXE and TRA flags
    I2C_SendData(reg);                                                  //发送寄存器的地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          //判断TRA, BUSY, MSL, TXE and BTF flags

//直接产生一个重起始信号即可开始读的过程
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //重起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Receiver);                  //发送地址+最低位1表示为“读”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));    //判断BUSY, MSL and ADDR flags

    I2C_GenerateSTOP(DISABLE);                                          //关闭停止信号使能

    I2C_AcknowledgeConfig(DISABLE);                                     //关闭ACK使能，接收一个字节数据后，主机就回NACK表示不再接收数据

    while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_RXNE));                           //获取RxEN的状态，等待收到数据
    data = I2C_ReceiveData();                                           //获得从机的寄存器中的数据

    I2C_GenerateSTOP(ENABLE);                                           //停止信号
    I2C_AcknowledgeConfig(ENABLE);                                      //传输完毕，再次打开ACK使能

    return data;
}

 

 

在识别了设备ID之后，就可以对其进行初始化。

void MPU6050Init()
{
    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, USER_CTRL, 0x00);       //配置为0x10时为SPI通信模式
    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, PWR_MGMT_1, 0x00);      //解除休眠状态

    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, SMPLRT_DIV, 0x02);      //333HZ采样率
    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, CONFIG, 0x03);          //设置低通滤波，频率见手册    1K/ 1+2 = 333HZ
    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, GYRO_CONFIG, 0x18);     //角速度计2000°/s量程
    IIC_write_reg(I2C_ADDR_MPU6050, ACCEL_CONFIG, 0x10);    //加速度计8g量程
}

这又需要写寄存器的代码↓

//向从机的某寄存器，写入一个字节的数据
void IIC_write_reg(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data)
{
//主机通知从机要写它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY));                            //IIC主机判忙
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               //发送地址+最低位0表示为“写”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //判断BUSY, MSL, ADDR, TXE and TRA flags
    I2C_SendData(reg);                                              　　 //发送寄存器的地址

//ACK之后直接写入数据
    while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_TXE));                            //获取TxE的状态    数据寄存器为空标志位,可以向其中写数据
    I2C_SendData(data);                                                 //发送寄存器的地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          //判断TRA, BUSY, MSL, TXE and BTF flags
    I2C_GenerateSTOP(ENABLE);                                           //停止信号
}

 

 

至此，就可以读取传感器相应的寄存器的数值了。MPU6050返回的主要数值大多是16位的数据，使用以下函数一次读两个字节数据↓（一个字节一个字节读也行，慢点罢了）

//从从机的某寄存器起始，读取并返回16位数据
uint16_t IIC_read_reg_2Bytes(uint8_t addr, uint8_t reg)
{
    uint8_t dataH = 0, dataL = 0;
    uint16_t data = 0;

//主机通知从机要读取它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY));                            //IIC主机判忙
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               //发送地址+最低位0表示为“写”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //判断BUSY, MSL, ADDR, TXE and TRA flags
    I2C_SendData(reg);                                                  //发送寄存器的地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          //判断TRA, BUSY, MSL, TXE and BTF flags

//直接产生一个重起始信号即可开始读的过程
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //重起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Receiver);                  //发送地址+最低位1表示为“读”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));    //判断BUSY, MSL and ADDR flags

    I2C_GenerateSTOP(DISABLE);                                          //关闭停止信号使能

    while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_RXNE));                           //获取RxEN的状态，等待收到数据
    dataH = I2C_ReceiveData();                                          //获得从机的寄存器中的数据

    I2C_AcknowledgeConfig(DISABLE);         //清除ACK位               主设备为了能在收到最后一个字节后产生一个NACK脉冲，
                                            //必须在读取倒数第二个字节之后（倒数第二个RxNE 事件之后）清除ACK位(ACK=0)

    while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_RXNE));                           //获取RxEN的状态
    dataL = I2C_ReceiveData();                                          //获得从机地址的寄存器地址中的数据

    I2C_GenerateSTOP(ENABLE);                                           //使能停止信号
    I2C_AcknowledgeConfig(ENABLE);                                      //传输完毕，再次打开ACK使能

    data = (uint16_t)(dataH<<8) + dataL;
    return data;
}

 

 

为了验证代码运行的稳定性，加上随机延时，将下列代码跑了一个下午，也没有卡死（在上面的函数中我一直用while(判断标志)的死循环来等待，一旦标志位不对就会卡死），动一动传感器有相应的数据变化，就算成功了。

while(1)
{        
    DelayMs(100+rand()%300);
    temp_data = IIC_read_reg(I2C_ADDR_MPU6050, (WHO_AM_I | 0x80));      //获取器件ID
    PRINT("0x%2x\n", temp_data);
    
    DelayMs(100+rand()%300);
    MPU6050Init();
    
    DelayMs(50+rand()%300);
    mpu_acc_x = IIC_read_reg_2Bytes(I2C_ADDR_MPU6050, ACCEL_XOUT_H); //获取X轴的加速度
    PRINT("X:0x%4x\n",mpu_acc_x);
    
    DelayMs(50+rand()%300);
    mpu_acc_y = IIC_read_reg_2Bytes(I2C_ADDR_MPU6050, ACCEL_YOUT_H); //获取Y轴的加速度
    PRINT("Y:0x%4x\n",mpu_acc_y);
    
    DelayMs(50+rand()%300);
    mpu_acc_z = IIC_read_reg_2Bytes(I2C_ADDR_MPU6050, ACCEL_ZOUT_H); //获取Z轴的加速度
    PRINT("Z:0x%4x\n",mpu_acc_z);
}

 

 

IIC通信协议中是可以连续读/写n个字节的数据的，手头的这块MPU6050也支持这样的操作，代码如下↓

//从从机的某寄存器起始，连续读取n个字节的数据
void IIC_read_reg_nBytes(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *des, uint8_t len)
{
//主机通知从机要读取它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY));                            //IIC主机判忙
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               //发送地址+最低位0表示为“写”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //判断BUSY, MSL, ADDR, TXE and TRA flags
    I2C_SendData(reg);                                                  //发送寄存器的地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          //判断TRA, BUSY, MSL, TXE and BTF flags

//直接产生一个重起始信号即可开始读的过程
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //重起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Receiver);                  //发送地址+最低位1表示为“读”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));    //判断BUSY, MSL and ADDR flags

    I2C_GenerateSTOP(DISABLE);                                          //关闭停止信号使能

    for(uint8_t i=0; i<len; i++)
    {
        if(i == len-1)
        I2C_AcknowledgeConfig(DISABLE);         //清除ACK位               主设备为了能在收到最后一个字节后产生一个NACK脉冲，
                                                //必须在读取倒数第二个字节之后（倒数第二个RxNE 事件之后）清除ACK位(ACK=0)
        while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_RXNE));                       //获取RxEN的状态，等待收到数据
        *(des+i) = I2C_ReceiveData();                                   //获得从机的寄存器中的数据
    }

    I2C_GenerateSTOP(ENABLE);                                           //使能停止信号
    I2C_AcknowledgeConfig(ENABLE);                                      //传输完毕，再次打开ACK使能
}

//向从机某寄存器起始，连续写入n个字节的数据
void IIC_write_reg_nBytes(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *src, uint8_t len)
{
//主机通知从机要写它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY));                            //IIC主机判忙
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          //起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));               //判断BUSY, MSL and SB flags
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               //发送地址+最低位0表示为“写”
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //判断BUSY, MSL, ADDR, TXE and TRA flags
        I2C_SendData(reg);                                              //发送寄存器的地址

//ACK之后直接写入数据
    for(uint8_t i=0; i<len; i++)
    {
        while(!I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_TXE));                            //获取TxE的状态    数据寄存器为空标志位,可以向其中写数据
        I2C_SendData(*(src+i));                                             //发送寄存器的地址
    }

    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));          //判断TRA, BUSY, MSL, TXE and BTF flags
    I2C_GenerateSTOP(ENABLE);                                           //停止信号
}

使用连续读/写的代码后，初始化和读传感器数值，就变成下面这个样子↓

void MPU6050Init()
{
    uint8_t temp_str1[2] = {0};
    IIC_write_reg_nBytes(I2C_ADDR_MPU6050, USER_CTRL, temp_str1, 2);
    uint8_t temp_str2[4] = {0x02, 0x03, 0x18, 0x10};
    IIC_write_reg_nBytes(I2C_ADDR_MPU6050, SMPLRT_DIV, temp_str2, 4);
}

while(1)
{
    DelayMs(300+rand()%300);
    MPU6050Init();
    PRINT("Init_OK\n");

    DelayMs(300+rand()%300);
    IIC_read_reg_nBytes(I2C_ADDR_MPU6050, ACCEL_XOUT_H,acc_str,6);
    for(uint8_t i=0; i<6; i++)
        PRINT("0x%2x ",acc_str[i]);
    PRINT("\n");
}

又挂着跑了三个多小时，也没有出现卡死的情况，传感器数据变化正常。

 

回过头来看，使用硬件IIC去写数据，没有磕绊，但在读数据时，要注意两点：

①在读最后一个字节的数据前关闭ACK使能，即使是只读一个数据，也要在读取前关闭。我的理解是ACK使能后，主机会自动拉低数据线以回复ACK，若没有及时关闭，最好的情况是多收一个字节数据，通信照常进行，最坏的情况就是卡死了。

②在读数据之前关闭STOP使能。很奇怪，在读之前关闭停止信号使能，在读完数据之后再使能，产生一个停止信号，可以“增强”程序的稳定性；若缺少关闭使能的代码，程序会在读取或多或少的传感器数值后卡死。解释或猜测还需要笔者继续深入了解硬件IIC。

另外，如果想加强代码的健壮性，可以在读/写函数的判断标志等待中加上计数来判断等待超时，超时则直接返回错误代码，根据错误代码选择重新读写或是重新初始化硬件IIC模块或外设。比如说↓

//向从机的某寄存器写入一个字节的数据
uint8_t IIC_write_reg(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data)
{
    uint16_t i=1000;
//主机通知从机要写它的哪个寄存器
    while(I2C_GetFlagStatus(I2C_FLAG_BUSY) && i--)                          //IIC主机判忙
    {
        if(!i) 
            return 1;
    }
    i = 1000;
    
    I2C_GenerateSTART(ENABLE);                                          　　 //起始信号
    
    while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) && i--)             //判断BUSY, MSL and SB flags
    {
        if(!i) 
            return 2;
    }
    i = 1000;
    
    I2C_Send7bitAddress(addr, I2C_Direction_Transmitter);               　　 //发送地址+最低位0表示为“写”
//略
}