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2025-01-24 17:19阅读: 17评论: 0推荐: 0

第12章 I2C-湿温度传感器

第十二章 I2C-湿温度传感器

1. 硬件设计

1.1 I2C简介

I2C总线通常使用两种电压电平，即高电平（VH）和低电平（VL）。高电平为2.5V至5.5V，低电平为0V至0.3V；这些电压电平范围是根据I2C规范确定的。I2C总线有不同的传输速率可选，包括标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）以及高速模式。传输速率的选择取决于应用的需求和设备的支持能力。为避免信号冲突，微处理器(MCU）必须只能驱动SDA和 SCL在低电平，即开漏输出。设置为开漏模式主要是为了保护器件和防止干扰。

防止干扰：多个器件共享同一条数据线（SDA）和同一条时钟线（SCL），如果采用推挽输出模式，多个器件的输出将会叠加在数据线上，造成信号干扰，严重时会损坏器件或导致通信错误。而采用开漏输出模式，则各个器件的输出只有拉低数据线的部分，不会干扰彼此，从而提高了总线的可靠性和抗干扰能力。
防止短路：在开漏输出模式下，由于器件的输出只有拉低数据线的部分，如果两个或多个器件同时输出，也不会造成短路。而如果采用推挽输出模式，两个或多个器件同时输出时，可能会形成短路。比如主设备输出高电平，从设备输出低电平。
因设置为开漏模式，需要连接一个外部的上拉电阻（例如:10k)将信号提拉至高电平。故I2C总线中的SDA（数据线）和SCL（时钟线）通常都连接了上拉电阻，以确保逻辑高电平的稳定性。上拉电阻的阻值通常在2.2kΩ至10kΩ之间，具体取决于总线的电容负载和通信距离。

I2C总线的最大线缆长度和传输容量受到一定限制。在标准模式下，最大线缆长度大约在1米左右，而在快速模式下，最大线缆长度约为0.3米。此外，线缆上的总线容量也会对传输速率产生影响。

1.1.1 I2C通信流程

I2C通信流程按照以下步骤进行：

主控向总线发送开始信号。
主控将要通信的设备地址和读写位（R/W）发送到总线上。
设备接收到地址后发送应答信号，主控接收到应答信号后发送数据或继续发送地址。
设备接收到数据后发送应答信号，主控接收到应答信号后可以继续发送数据或者停止通信。
主控向总线发送停止信号。

1.1.2 I2C基本参数

速率： I2C总线有标准模式（100 kbit/s）和快速模式（400 kbit/s）两种传输模式，还有更快的扩展模式和高速模式可供选择。

器件地址： 每个设备都有唯一的7位或10位地址，可以通过地址选择来确定与谁进行通信。

总线状态： I2C总线有五种状态，分别是空闲状态、起始信号、结束信号、响应信号、数据传输。

数据格式： I2C总线有两种数据格式，标准格式和快速格式。标准格式是8位数据字节加上1位ack/nack（应答/非应答）位，快速格式允许两个字节同时传输。

由于SCL和SDA线是双向的，它们也可能会由于外部原因（比如线路中的电容等）出现电平误差，而从而导致通信出错。因此，在IIC总线中，通常使用上拉电阻来保证信号线在空闲状态下的电平为高电平。

1.2 MSPM0G的硬件I2C

MSPM0G系列的I2C支持主从模式，有7位地址位可以设置，支持 100kbps、400kbps、1Mbps 的 I2C 标准传输速率，并支持 SMBUS。无论是主机或者从机，发送和接收都有独立的8个字节FIFO。MSPM0 I2C 具有 8 字节 FIFO，对于控制器和目标模式会生成独立的中断，并支持 DMA。

1.3 SHT20简介

SHT20是一种数字式温湿度传感器，它采用电容式测量技术，具有高准确度和稳定性，并采用标准的I2C数字接口进行通信。SHT20的测量范围涵盖了温度-40到+125°C和相对湿度0到100%RH。它广泛应用于空气质量监测、气象监测、恒温恒湿控制、食品贮藏等领域。

SHT20温湿度传感器的相关参数，见下图：

2. 软件设计

2.1 编程大纲

I2C接口GPIO配置
I2C模式配置，编写基础函数
通过I2C读取SHT20传感器数据
主函数测试

2.2 代码分析

2.2.1 I2C GPIO配置

/* I2C GPIO配置 */
#define I2C_PORT GPIOA
#define I2C_SCL_PIN DL_GPIO_PIN_0
#define I2C_SCL_IOMUX IOMUX_PINCM1
#define I2C_SDA_PIN DL_GPIO_PIN_1
#define I2C_SDA_IOMUX IOMUX_PINCM2

void I2C_GPIO_Init(void)
{
    // 初始化数字输出引脚
    DL_GPIO_initDigitalOutput(I2C_SCL_IOMUX);
    DL_GPIO_initDigitalOutput(I2C_SDA_IOMUX);
    DL_GPIO_setPins(I2C_PORT, I2C_SCL_PIN|I2C_SDA_PIN); // 拉高I2C总线
    DL_GPIO_enableOutput(I2C_PORT, I2C_SCL_PIN|I2C_SDA_PIN); // 使能I2C总线输出
}

2.2.2 I2C初始化

2.2.2.1 相关参数宏定义

/* I2C模式配置 */
// 设置SDA输出模式
#define I2C_SDA_OUT() {DL_GPIO_initDigitalOutput(I2C_SDA_IOMUX); \
                       DL_GPIO_setPins(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN); \
                       DL_GPIO_enableOutput(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN);}
// 设置SDA输入模式
#define I2C_SDA_IN()  {DL_GPIO_initDigitalInput(I2C_SDA_IOMUX);}
// 获取SDA的电平，并判断高低电平
#define I2C_SDA_GET() (((DL_GPIO_readPins(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN)&I2C_SDA_PIN)>0)?1:0)
// 设置SDA的电平
#define SDA(x) ((x)?(DL_GPIO_setPins(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN)):(DL_GPIO_clearPins(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN))) 
// 设置SCL的电平
#define SCL(x) ((x)?(DL_GPIO_setPins(I2C_PORT, I2C_SCL_PIN)):(DL_GPIO_clearPins(I2C_PORT, I2C_SCL_PIN)))

2.2.2.2 I2C产生起始信号

起始信号：SCL在高电平的状态下，SDA的电平由高转低，表示开始一次通信。

void I2C_Start(void) // 产生I2C起始信号
{
    I2C_SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(1);
    SCL(1);
    SDA(0);
    SCL(0);
}

2.2.2.3 I2C产生停止信号

SCL在高电平的状态下，SDA的电平由低转高，表示结束这次通信。主设备在发送停止信号后不能再向从设备发送任何数据，除非再次发送起始信号。

void I2C_Stop(void) // 产生I2C停止信号
{
    I2C_SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    SCL(1);
    SDA(1);
}

2.2.2.4 I2C产生ACK/NACK

I2C还提供了一种称为“ACK/NACK”（应答/非应答）的确认机制。如果一个设备接收到数据，它将通过在SDA线上拉低电平来发送一个应答信号以通知发送方数据已被接收。相反，如果数据被损坏或未接收，接收设备将发送非应答信号。（在SDA上保持高电平）。

void I2C_Send_Ack(uint8_t ack) // 主机发送应答信号
{
    I2C_SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    if(!ack)
    {
        SDA(0); // 应答为0，主机发送ACK
    }
    else
    {
        SDA(1); // 应答为1，主机发送NAK
    }
    SCL(1);
    SCL(0);
    SDA(1);
}

2.2.2.5 等待从机应答

uint8_t I2C_Wait_Ack(void) // 等待从机应答
{
    uint8_t ack = 0;
    uint8_t flag = 10;
    I2C_SDA_IN();
    SDA(1);
    SCL(1);
    while((I2C_SDA_GET() == 1) && (flag)) // 等待从机应答
    {
        flag--;
    }
    if(flag <= 0)
    {
        I2C_Stop(); // 超时，产生停止信号
        return 1;
    }
    else
    {
        SCL(0);
        I2C_SDA_OUT();
    }
    return ack;
}

2.2.2.5 I2C读写一个字节

void I2C_Write_Byte(uint8_t data) // 主机向从机发送数据
{
    uint8_t i;
    I2C_SDA_OUT();
    SCL(0);
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SDA((data&0x80) >> 7); // 发送数据位
        SCL(1);
        SCL(0);
        data <<= 1; // 左移一位
    }
}

uint8_t I2C_Read_Byte(void) // 从机读取数据
{
    uint8_t i, read_data = 0;
    I2C_SDA_IN();
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SCL(0);
        SCL(1);
        read_data <<= 1; // 左移一位
        if(I2C_SDA_GET())
        {
            read_data|=1; // 读取数据位
        }
    }
    return read_data;
}

2.2.3 读取SHT20传感器数据

SHT20温湿度传感器的I2C地址为0x80。I2C地址是一个用于在总线上识别设备的7位地址。对于SHT20传感器，其地址的最高7位已经预设为固定值0b1000_000（0b代表二进制）。最低一位用于标识读操作或写操作，读操作为1，写操作为0。因此，SHT20的I2C地址在写操作时可以表示为0b1000_0000（0x80），读操作时表示为0b1000_0001（0x81）。

// SHT20 读取湿温度
// 函数参数regaddr：寄存器地址
// 0xf3测量温度，0xf5测量湿度
uint16_t SHT20_Read(uint8_t regaddr)
{
    uint16_t data_h = 0;
    uint16_t data_l = 0;
    uint16_t temp = 0;
    I2C_Start();
    I2C_Write_Byte(0x80|0);
    if (I2C_Wait_Ack() == 1)
    {
        printf("error -1\r\n");
    }
    I2C_Write_Byte(regaddr);
    if (I2C_Wait_Ack() == 1)
    {
         printf("error -2\r\n");
    }
    do {
        I2C_Start();
        I2C_Write_Byte(0x80 | 1);
    } while (I2C_Wait_Ack() == 1);
    data_h = I2C_Read_Byte();
    I2C_Send_Ack(0);
    data_l = I2C_Read_Byte();
    I2C_Send_Ack(1);
    I2C_Stop();
    if (regaddr == 0xf3)
    {
        temp = ((data_h << 8)|data_h) / 65536.0 * 175.72 - 46.85;
    }
    if (regaddr == 0xf5)
    {
        temp = ((data_h << 8)|data_l) / 65536.0 * 125.0 - 6;
    }
    return temp;
}

2.2.4 主函数测试

#include <ti_msp_dl_config.h>
#include "SysTick.h"
#include "Uart.h"
#include "SHT20.h"

#define T_ADDR 0xf3 // SHT20温度地址
#define PH_ADDR 0xf5 // SHT20湿度地址

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();
    UART_0_init();
    I2C_GPIO_Init();
    SysTick_Init();
    NVIC_ClearPendingIRQ(UART_IRQN);
    NVIC_EnableIRQ(UART_IRQN);
    while (1)
    {
        uint32_t TEMP = SHT20_Read(T_ADDR) * 100;
        uint32_t PH = SHT20_Read(PH_ADDR) * 100;
        printf("Temperature: %d.%d C\n", TEMP / 100, TEMP % 100);
        printf("Humidity: %d.%d %%\n", PH / 100, PH % 100);
        delay_ms(1000);
    }
}

3. 小结

I2C 引脚配置：选择正确的引脚并设置复用功能。
外设时钟配置：确保启用 I2C 外设的时钟。
配置 I2C 控制寄存器：设置 I2C 模式、波特率和时钟源。
数据传输：使用 TXBUF 发送数据，确保总线空闲时再发送。

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本文作者：hazy1k

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