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I2C 设备应用笔记

摘要

​ 本应用笔记以驱动 I2C 接口的 6 轴传感器 MPU6050 为例,说明了如何使用 I2C 设备驱动接口开发应用程序,并详细讲解了 RT-Thread I2C 设备驱动框架及相关函数。

本文的目的和结构

本文的目的和背景

I2C(或写作 i2c、IIC、iic)总线是由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制(时钟 SCL、数据 SDA)同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息,是半导体芯片使用最为广泛的通信接口之一。RT-Thread 中引入了 I2C 设备驱动框架,I2C 设备驱动框架提供了基于 GPIO 模拟和硬件控制器的 2 种底层硬件接口。

本文的结构

本文首先描述了 RT-Thread I2C 设备驱动框架的基本情况,然后详细描述了 I2C 设备驱动接口,并使用 I2C 设备驱动接口编写 MPU6050 的驱动程序,并给出了在正点原子 STM32F4 探索者开发板上验证的代码示例。

I2C 设备驱动框架简介

在使用 MCU 进行项目开发的时候,往往需要用到 I2C 总线。一般来说,MCU 带有 I2C 控制器(硬件 I2C),也可以使用 MCU 的 2 个 GPIO 自行编写程序模拟 I2C 总线协议实现同样的功能。

RT-Thread 提供了一套 I/O 设备管理框架,它把 I/O 设备分成了三层进行处理:应用层、I/O 设备管理层、底层驱动。I/O 设备管理框架给上层应用提供了统一的设备操作接口和 I2C 设备驱动接口,给下层提供的是底层驱动接口。应用程序通过 I/O 设备模块提供的标准接口访问底层设备,底层设备的变更不会对上层应用产生影响,这种方式使得应用程序具有很好的可移植性,应用程序可以很方便的从一个 MCU 移植到另外一个 MCU。

本文以 6 轴惯性传感器 MPU6050 为例,使用 RT-Thread I2C 设备驱动框架提供的 GPIO 模拟 I2C 控制器的方式,阐述了应用程序如何使用 I2C 设备驱动接口访问 I2C 设备。

RT-Thread I2C 设备驱动框架

运行 I2C 设备驱动示例代码

示例代码软硬件平台

  1. 正点原子 STM32F4 探索者开发板
  2. GY-521 MPU-6050 模块
  3. MDK5
  4. RT-Thread 源码
  5. 示例代码
  6. https://github.com/RT-Thread-packages/peripheral-sample

正点原子探索者 STM32F4 开发板的 MCU 是 STM32F407ZGT6,本示例使用 USB 串口(USART1)发送数据及供电,使用 SEGGER JLINK 连接 JTAG 调试。

本次实验用的 GY521 模块是一款 6 轴惯性传感器模块,板载 MPU6050。我们使用开发板的 PD6(SCL)、PD7(SDA)作为模拟 I2C 管脚,用杜邦线将 GY521 模块的 SCL 硬件连接到 PD6、SDA 连接到 PD7、GND 连接到开发板的 GND、VCC 连接到 3.3V。

正点原子开发板

GY521 模快

本文基于正点原子 STM32F4 探索者开发板,给出了底层 I2C 驱动(GPIO 模拟方式)的添加方法和 I2C 设备的具体应用示例代码(以驱动 MPU6050 为例),包含寄存器读、写操作方法。由于 RT-Thread 上层应用 API 的通用性,因此这些代码不局限于具体的硬件平台,用户可以轻松将它移植到其它平台上。

启用 I2C 设备驱动

  1. 使用 env 工具 命令行进入 rt-thread\bsp\stm32f4xx-HAL 目录,然后输入 menuconfig 命令进入配置界面。
  2. 配置 shell 使用串口 1:选中 Using UART1,进入 RT-Thread Kernel ---> Kernel Device Object 菜单,修改 the device name for console 为 uart1。
  3. 进入 RT-Thread Components ---> Device Drivers 菜单,选中 Using I2C device drivers,本示例使用 GPIO 模拟 I2C,因此还要开启 Use GPIO to simulate I2C。

使用 menuconfig 开启 i2c

  1. 退出 menuconfig 配置界面并保存配置,在 env 命令行输入 scons --target=mdk5 -s 命令生成 mdk5 工程,新工程名为 project。使用 MDK5 打开工程,修改 MCU 型号为 STM32F407ZGTx,修改调试选项为 J-LINK。

修改 MCU

修改调试选项

  1. 编译工程后下载程序至开发板运行。在终端 PuTTY(打开对应端口,波特率配置为 115200) 输入 list_device 命令可以看到名为 i2c2 的设备,设备类型是 I2C Bus,说明 I2C 设备驱动添加成功了。如图所示:

使用 list_device 命令查看 i2c 总线设备

运行示例代码

将 I2C 示例代码里的 main.c 拷贝到 \rt-thread\bsp\stm32f4xx-HAL\applications 目录,替换原有的 main.cdrv_mpu6050.c、drv_mpu6050.h 拷贝到 \rt-thread\bsp\stm32f4xx-HAL\drivers 目录,并将它们添加到工程中对应分组。如图所示:

添加驱动

本例使用 GPIO PD6 作为 SCL、GPIO PD7 作为 SDA,I2C 总线设置名字是 i2c2,读者可根据需要修改 drv_i2c.c 件中如下参数以适配自己的板卡,确保 drv_mpu6050.c 中定义的宏 MPU6050_I2C_BUS_NAME 与 drv_i2c.c 中的宏 I2C_BUS_NAME 相同。本示例需要将 drv_i2c.c 默认驱动端口 GPIOB 改为 GPIOD,如下图所示:

drv_i2c.c 中的 i2c 板级配置

连接好 MPU6050 模块和开发板,编译工程并下载程序至开发板,复位 MCU,终端 PuTTY 会打印出读取到的 MPU6050 传感器数据,依次是温度,三轴加速度,三轴角速度:

终端打印信息

I2C 设备驱动接口详解

按照前文的步骤,相信读者能很快的将 RT-ThreadI2C 设备驱动运行起来,那么如何使用 I2C 设备驱动接口开发应用程序呢?

RT-Thread I2C 设备驱动目前只支持主机模式,使用 RT-Thread I2C 设备驱动需要使用 menuconfig 工具开启宏 RT_USING_DEVICE 和 RT_USING_I2C,如果要使用 GPIO 模拟 I2C 还需开启宏 RT_USING_I2C_BITOPS。

使用 I2C 设备驱动的大致流程如下:

  1. 用户可以在 msh shell 输入 list_device 命令查看已有的 I2C 总线设备,确定 I2C 总线设备名称。

  2. 查找设备使用 rt_i2c_bus_device_find() 或者 rt_device_find(),传入 I2C 设备名称获取 i2c 总线设备句柄。

  3. 使用 rt_i2c_transfer() 即可以发送数据也可以接收数据,如果主机只发送数据可以使用 rt_i2c_master_send(),如果主机只接收数据可以使用 rt_i2c_master_recv()

接下来本章将详细讲解 I2C 设备驱动接口的使用。

查找设备

应用程序要使用已经由操作系统管理的 I2C 设备需要调用查找设备函数,找到 I2C 设备后才可以对该设备进行信息传送。

函数原型: struct rt_i2c_bus_device *rt_i2c_bus_device_find(const char *bus_name)

参数 描述
bus_name I2C 总线设备名称
函数返回:I2C 设备存在则返回 I2C 设备句柄,否则返回 RT_NULL。

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.cmpu6050_hw_init() 查找设备源码如下:

#define MPU6050_I2CBUS_NAME  "i2c2" /* I2C 设备名称, 必须和 drv_i2c.c 注册的 I2C 设备名称一致 */
static struct rt_i2c_bus_device *mpu6050_i2c_bus; /* I2C 设备句柄 */
... ...
... ...

int mpu6050_hw_init(void)
{
    rt_uint8_t res;

    mpu6050_i2c_bus = rt_i2c_bus_device_find(MPU6050_I2CBUS_NAME); /* 查找 I2C 设备 */

    if (mpu6050_i2c_bus == RT_NULL)
    {
        MPUDEBUG("can't find mpu6050 %s device\r\n",MPU6050_I2CBUS_NAME);
        return -RT_ERROR;
    }

... ...
... ...
}

数据传输

RT-Thread I2C 设备驱动的核心 API 是 rt_i2c_transfer(),它传递的消息是链式结构的。可以通过消息链,实现调用一次完成多次数据的收发,此函数既可以用于发送数据,也可以用于接收数据。

函数原型:

rt_size_t rt_i2c_transfer(struct rt_i2c_bus_device *bus,
                          struct rt_i2c_msg         msgs[],
                          rt_uint32_t               num)
参数 描述
bus I2C 总线设备句柄
msgs[] I2C 消息数组
num 消息数组的数量

函数返回: 成功传输的消息数组的数量

消息数组 msgs[] 类型为

struct rt_i2c_msg
{
    rt_uint16_t addr;    // 从机地址
    rt_uint16_t flags;   // 标志,读、写等
    rt_uint16_t len;     // 读写数据字节数
    rt_uint8_t  *buf;    // 读写数据指针
}

addr 从机地址支持 7 位和 10 位二进制地址(flags |= RT_I2C_ADDR_10BIT)。RT-Thread 的 I2C 设备驱动接口使用的从机地址均为不包含读写位的地址,读写位对应修改 flags。

flags 标志可选值为 i2c.h 文件中定义的宏,发送数据赋值 RT_I2C_WR,接收数据赋值 RT_I2C_RD,根据需要可以与其他宏使用位运算 “|” 组合起来使用。

#define RT_I2C_WR           0x0000
#define RT_I2C_RD          (1u << 0)
#define RT_I2C_ADDR_10BIT  (1u << 2) /* this is a ten bit chip address */
#define RT_I2C_NO_START    (1u << 4)
#define RT_I2C_IGNORE_NACK (1u << 5)
#define RT_I2C_NO_READ_ACK (1u << 6) /* when I2C reading, we do not ACK */

发送数据

用户可以调用 I2C 设备驱动接口 rt_i2c_master_send() 或者 rt_i2c_transfer() 发送数据。函数调用关系如下:

发送数据函数调用关系

drv_mpu6050.c 中的 mpu6050_write_reg() 函数是 MCU 向 mpu6050 寄存器写数据。此函数的实现共有 2 种,分别调用了 I2C 设备驱动接口 rt_i2c_transfer()rt_i2c_master_send() 实现。

本文示例使用的 MPU6050 数据手册中提到 7 位从机地址是 110100X,X 由芯片的 AD0 管脚决定,GY521 模块的 AD0 连接到了 GND,因此 MPU6050 作为从机时地址是 1101000,16 进制形式是 0x68。写 MPU6050 某个寄存器,主机首先发送从机地址 MPU6050_ADDR、读写标志 R/W 为 RT_I2C_WR(0 为写,1 为读),然 后主机发送从机寄存器地址 reg 及数据 data。

1) 使用 rt_i2c_transfer() 发送数据

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.c 发送数据源码如下:

#define MPU6050_ADDR                0X68

// 写 mpu6050 单个寄存器
//reg: 寄存器地址
//data: 数据
// 返回值: 0, 正常 / -1, 错误代码
rt_err_t mpu6050_write_reg(rt_uint8_t reg, rt_uint8_t data)
{
    struct rt_i2c_msg msgs;
    rt_uint8_t buf[2] = {reg, data};

    msgs.addr  = MPU6050_ADDR;    /* 从机地址 */
    msgs.flags = RT_I2C_WR;       /* 写标志 */
    msgs.buf   = buf;             /* 发送数据指针 */
    msgs.len   = 2;

    if (rt_i2c_transfer(mpu6050_i2c_bus, &msgs, 1) == 1)
    {
        return RT_EOK;
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }
}

以本文示例代码其中一次调用 rt_i2c_transfer() 发送数据为例,从机 MPU6050 地址 16 进制值为 0X68,寄存器地址 reg 16 进制值为 0X6B,发送的数据 data 16 进制值为 0X80。示例波形如下图所示,第一个发送的数据是 0XD0,第一个数据的高 7 位是从机地址,最低位是读写位为写(值为 0),所以第一个数据为:0X68 << 1|0 = 0XD0,然后依次发送寄存器地址 0X6B 和数据 0X80。

I2C 发送数据波形示例

2) 使用 rt_i2c_master_send() 发送数据

函数原型:

rt_size_t rt_i2c_master_send(struct rt_i2c_bus_device *bus,
                             rt_uint16_t               addr,
                             rt_uint16_t               flags,
                             const rt_uint8_t          *buf,
                             rt_uint32_t                count)
参数 描述
bus I2C 总线设备句柄
addr 从机地址,不包含读写位
flags 标志,读写标志为写。只支持 10 位地址选择 RT_I2C_ADDR_10BIT
buf 指向发送数据的指针
count 发送数据字节数

函数返回: 成功发送的数据字节数。

此函是对 rt_i2c_transfer() 的简单封装。

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.c 发送数据源码如下:

#define MPU6050_ADDR                0X68

// 写 mpu6050 单个寄存器
//reg: 寄存器地址
//data: 数据
// 返回值: 0, 正常 / -1, 错误代码
rt_err_t mpu6050_write_reg(rt_uint8_t reg, rt_uint8_t data)
{
    rt_uint8_t buf[2];

    buf[0] = reg;
    buf[1] = data;

    if (rt_i2c_master_send(mpu6050_i2c_bus, MPU6050_ADDR, 0, buf ,2) == 2)
    {
        return RT_EOK;
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }
}

接收数据

用户可以调用 I2C 设备驱动接口 rt_i2c_master_recv() 或者 rt_i2c_transfer() 接受数据。函数调用关系如下:

接收数据函数调用关系

本文示例代码 drv_mpu6050.c 中的 mpu6050_read_reg() 函数是 MCU 从 MPU6050 寄存器读取数据,此函数的实现同样有 2 种方式,分别调用了 I2C 设备驱动接口 rt_i2c_transfer()rt_i2c_master_recv() 实现。

读 MPU6050 某个寄存器,主机首先发送从机地址 MPU6050_ADDR、读写标志 R/W 为 RT_I2C_WR(0 为写,1 为读)、从机寄存器地址 reg 之后才能开始读设备。然后发送从机地址 MPU6050_ADDR、读写标志 R/W 为 RT_I2C_RD(0 为写,1 为读)、保存读取数据指针。

1) 使用 rt_i2c_transfer() 接收数据

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.c 接收数据源码如下:

#define MPU6050_ADDR                0X68

// 读取寄存器数据
//reg: 要读取的寄存器地址
//len: 要读取的数据字节数
//buf: 读取到的数据存储区
// 返回值: 0, 正常 / -1, 错误代码
rt_err_t mpu6050_read_reg(rt_uint8_t reg, rt_uint8_t len, rt_uint8_t *buf)
{
    struct rt_i2c_msg msgs[2];

    msgs[0].addr  = MPU6050_ADDR;    /* 从机地址 */
    msgs[0].flags = RT_I2C_WR;       /* 写标志 */
    msgs[0].buf   = &reg;            /* 从机寄存器地址 */
    msgs[0].len   = 1;               /* 发送数据字节数 */

    msgs[1].addr  = MPU6050_ADDR;    /* 从机地址 */
    msgs[1].flags = RT_I2C_RD;       /* 读标志 */
    msgs[1].buf   = buf;             /* 读取数据指针 */
    msgs[1].len   = len;             /* 读取数据字节数 */

    if (rt_i2c_transfer(mpu6050_i2c_bus, msgs, 2) == 2)
    {
        return RT_EOK;
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }
}

以本文示例代码其中一次调用 rt_i2c_transfer() 接收数据为例,从机 MPU6050 地址 16 进制值为 0X68,寄存器地址 reg 16 进制值为 0X75。示例波形如下图所示,第一个发送的数据是 0XD0,第一个数据的高 7 位是从机地址,最低位是读写位是写(值为 0),所以第一个数据值为:0X68 << 1|0 = 0XD0,然后发送寄存器地址 0X75。第二次发送的第一个数据为 0XD1,读写位是读(值为 1),值为:0X68 << 1 | 1 = 0XD1,然后收到读取到的数据 0X68。

I2C 发送数据波形示例

2) 使用 rt_i2c_master_recv() 接收数据

函数原型:

rt_size_t rt_i2c_master_recv(struct rt_i2c_bus_device *bus,
                             rt_uint16_t              addr,
                             rt_uint16_t              flags,
                             rt_uint8_t               *buf,
                             rt_uint32_t              count)
参数 描述
bus I2C 总线设备句柄
addr 从机地址,不包含读写位
flags 标志,读写标志为读,只支持 10 位地址选择 RT_I2C_ADDR_10BIT
buf 接受数据指针
count 接收数据字节数

函数返回: 成功接收的数据字节数。

此函数是对 rt_i2c_transfer() 的简单封装,只能读取数据(接收数据)。

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.c 接收数据源码如下:

#define MPU6050_ADDR                0X68

// 读取寄存器数据
//reg: 要读取的寄存器地址
//len: 要读取的数据字节数
//buf: 读取到的数据存储区
// 返回值: 0, 正常 / -1, 错误代码
rt_err_t mpu6050_read_reg(rt_uint8_t reg, rt_uint8_t len, rt_uint8_t *buf)
{
    if (rt_i2c_master_send(mpu6050_i2c_bus, MPU6050_ADDR, 0, &reg, 1) == 1)
    {
        if (rt_i2c_master_recv(mpu6050_i2c_bus, MPU6050_ADDR, 0, buf, len) == len)
        {
            return RT_EOK;
        }
        else
        {
            return -RT_ERROR;
        }
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }

}

I2C 设备驱动应用

通常 I2C 接口芯片的只读寄存器分为 2 种情况,一种是单一功能寄存器,另一种是地址连续,功能相近的寄存器。例如 MPU6050 的寄存器 0X3B、0X3C、0X3D、0X3E、0X3F、0X40 依次存放的是三轴加速度 X、Y、Z 轴的高 8 位、低 8 位数据。

本文示例代码底层驱动 drv_mpu6050.c 使用 mpu6050_read_reg() 函数读取 MPU6050 的 3 轴加速度数据:

#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG     0X3B    // 加速度值, X 轴高 8 位寄存器

// 得到加速度值 (原始值)
//gx,gy,gz: 陀螺仪 x,y,z 轴的原始读数 (带符号)
// 返回值: 0, 成功 / -1, 错误代码
rt_err_t mpu6050_accelerometer_get(rt_int16_t *ax, rt_int16_t *ay, rt_int16_t *az)
{
    rt_uint8_t buf[6], ret;

    ret = mpu6050_read_reg(MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 6, buf);
    if (ret == 0)
    {
        *ax = ((rt_uint16_t)buf[0] << 8) | buf[1];
        *ay = ((rt_uint16_t)buf[2] << 8) | buf[3];
        *az = ((rt_uint16_t)buf[4] << 8) | buf[5];

        return RT_EOK;
    }
    else
    {
        return -RT_ERROR;
    }
}

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