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【STM32】I2C通信—软件模拟

news 2025/10/11 14:25:34

【STM32】I2C通信—软件模拟

一、I2C协议
- 1.1 I2C简介
- 1.2 硬件电路
二、I2C时序基本单元
- 2.1 起始终止
- 2.2 发送一个字节
- 2.3 接收一个字节
- 2.4 发送接收应答ACK
三、I2C完整时序数据帧
- 3.1 指定地址写
- 3.2 当前地址读
- 3.3 指定地址读
四、MPU6050芯片
- 4.1 MPU6050简介
- 4.2 MPU6050参数
- 4.3 硬件电路
- 4.4 模块内部结构图
- 4.5 数据帧
- 4.6寄存器地址
五、软件模拟I2C读写MPU6050

一、I2C协议

1.1 I2C简介

I2C总线是一种通用数据总线（Inter Ic Bus）
两根通信线：SCL（Serial Clack），SDA（Serial Data）
同步，半双工，带数据应答机制
（异步时序的好处省一根时钟线，缺点是对硬件电路非常依赖）
支持总线挂载多设备（一主多从，多主多从）

一主多从：单片机作为主机，主导I2C总线运行，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机，从机只有在主机点名之后才能控制I2C总线
多主多从：在总线上任何一个模块都可以主动跳出来都当主机，此时I2C协议会进行仲裁

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1.2 硬件电路

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所有I2C设备的SCL连接一起，SDA连在一起。
设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式（这个模式有个线与的现象，只要有一个设备输出低电平，总线就处于低电平。）
SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7kΩ左右。

为什么 I2C 必须用开漏模式？
核心原因是为了实现 I2C 的 “线与逻辑”（Wired-AND） 和多设备共享总线：
线与逻辑：总线上多个设备可同时驱动 SDA/SCL 线，但只有当所有设备都 “释放” 总线（输出高阻态）时，上拉电阻才能将总线拉为高电平；只要有一个设备将总线拉低，总线就会保持低电平。这确保了多个设备通信时不会因 “同时输出高电平” 导致冲突或短路。
多设备兼容：无论总线上设备的电源电压是否一致（如 3.3V 和 5V 设备混合），开漏模式配合上拉电阻可避免高电压设备对低电压设备的损坏（只要上拉电压匹配低电压设备）。避免一个输出高电平，一个输出低电平导致正负极直接连通短路

二、I2C时序基本单元

2.1 起始终止

起始条件：SCL高电平时期，SDA从高电平切换低电平
终止条件：SCL高电平时期，SDA从低电平切换高电平
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2.2 发送一个字节

发送一个字节：SCL 低电平期间，主机将数据位依次放到 SDA 线上（高位先行），然后释放 SCL，从机将在 SCL高电平期间读取数据位，所有 SCL 高电平期间 SDA 不允许有数据变化，依次循环上述过程 8 次，即发送一个字节。
（在SCL低电平时，主机改变SDA，在SCL高电平时，从机读取SDA）
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2.3 接收一个字节

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上**（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间连续读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收前，需释放SDA）**
区别：发送一个数据，低电平主机放数据，高电平从机读数据
接收一个数据，高电平主机放数据，低电平从机读数据
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2.4 发送接收应答ACK

发送应答：主机在接收完一个字节后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答。
接收应答：主机在接收完一个字节后，在下个时钟发送一位数据，判断从机是否应答数据0表示应答，数据1表示非应答。（主机在接收之前，需释放SDA）
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三、I2C完整时序数据帧

3.1 指定地址写

指定地址写：对于指定设备（Slave Address 从机地址确定），在指定地址（reg address 内部寄存器地址）下写入指定数据

这段时序的意义：对于指定的从机地址为 1101000 的设备，在其内部 0x19 地址寄存器中，写入 0xAA 这个数据
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3.2 当前地址读

当前地址读：对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示下，读取从机数据
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在从机中，所有寄存器被分配到了一个线性区域中，此时会有单独的指针变量，指示其中一个寄存器，每次写入一个字节后指针会自增一次，移动到下一次

3.3 指定地址读

指定地址读：对于指定设备（slave Adress），在指定地址下，读取从机数据

先用指定地址写将指针指到想要的寄存器，再重新起始条件开始当前地址读

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最开始，启动条件，发送0XD0进行寻址，读写位为0，代表写入，经过从机应答，再发送一个字节，用来指定地址，此时就写到从机的地址指针里，此时寄存器指针指向了0X19，起始条件后，重新读写，并读标志位
Sr：重复起始条件，相当于另起一个时序。

四、MPU6050芯片

4.1 MPU6050简介

本次运用I2C通信让单片机与MPU6050芯片通信，获取姿态传感器数据。以下是对MPU6050的介绍

MPU 6050 是个 6 轴姿态传感器，可以测量芯片自身的 X,Y,Z 轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角（欧拉角），常用于平衡车等需要检测姿态的场景
3 轴加速度计（Accelerometer）：测量 X,Y,Z 轴加速度
3 轴陀螺仪传感器：（Gynoscope）测量 X,Y,Z 轴加速度
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欧拉角是飞机机身相对于初始的三个轴的夹角，飞机机头下倾/上仰，这个轴的夹角叫作俯仰，pitch。
飞机机身左翻/右翻叫作滚转，Roll，飞机机身保持水平，机头向左转或者向右转叫作偏航，Yaw。

4.2 MPU6050参数

16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围-32768 - 32767（ADC对各个模拟参量进行量化），会分为2个字节进行存储。
加速度计满量程选择：±2 ±4 ±8 ±16(g)（16位AD值达到最大时，对应的物理参量具体是多少）
陀螺仪满量程选择：±250，±500，±1000，±2000(°/sec)（每秒旋转了多少度）
可配置的数字低通滤波器（配置低通滤波，输出数据就会平缓，减少抖动）
可配置的时钟源：经过分频器分频，可以为AD转换和其他电路提供时钟，控制分频系数，就可以控制AD转换的快慢了。
可配置的采样频率
I2C从机地址：1101000（AD0=0） 110 1000 → 0x68 0x68未带读写位 0xD0带读写位
1101001（AD0=1）