STM32开发（九）STM32F103 通信 —— I2C通信编程详解

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一、基础知识点

本实验通过I2C通信获取SHT30温湿度值，显示数码管以及通过modbus协议传送给PC端。
本实验内容知识点：
1、 I2C通信协议

2、温湿度传感器 SHT3x-DIS 手册 解析 、TM1620芯片手册 解析

3、数码管显示 详解

4、RS485 Modbus通信编程详解

5、定时器中断 详解

6、I2C引脚SDA既要输出也要输入，因此要配置为准双向口。先来看下STM32普通GPIO口内部图，了解下准双向口。

将IO口配置为开漏输出时，输出控制器中P-MOS管断开，输出通过N-MOS管决定。
只有输出高电平的时候，N-MOS管截止，这时IO口就能作为输入使用，获取IO口的状态。（P-MOS和N-MOS都截止）
这样I2C SDA引脚就不用重新初始化为输入模式。这也就是准双向口的原理。

准备好了吗？开始实战show time。

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二、开发环境

1、硬件开发准备
主控：STM32F103ZET6
温湿度传感器：SHT3X

2、软件开发准备
软件开发使用虚拟机 + VScode + STM32Cube 开发STM32，在虚拟机中直接完成编译下载。
该部分可参考：软件开发环境构建

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三、STM32CubeMX相关配置

1、STM32CubeMX基本配置
本实验基于CubeMX详解构建基本框架 进行开发。

2、STM32CubeMX I2C相关配置
（1）GPIO配置

配置I2C两个引脚默认高电平：I2C处于空闲状态
配置I2C两个引脚为开漏输出。

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四、Vscode代码讲解

GPIO模拟I2C代码

I2C时序由空闲时序、开始时序、停止时序、发送一个字节时序、接收一个字节时序，这四种时序部分组成。GPIO只要模拟出这四种时序就能满足所有的完整I2C时序。因此制作一个结构体来实现所有I2C时序部分接口。其他函数就能直接调用这几个接口构成完整的I2C时序通信。

typedef struct 
{
    
    
  void (*Init)(void);                     //I2C初始化——I2C空闲时序
  void (*start)(void);                    //I2C开始时序
  void (*stop)(void);                     //I2C停止时序 
  ACK_Value_t (*Write_Byte)(uint8_t);      //I2C写字节时序
  uint8_t     (*Read_Byte) (ACK_Value_t);  //I2C读字节时序
} Myi2c_t;

Myi2c_t Myi2c =
{
    
    
    Init,
    start,
    stop,
    Write_Byte,
    Read_Byte
};

实现具体的I2C时序
初始化I2C信号 —— 空闲信号：SCL和SDA信号都为高电平

static void Init(void)          
{
    
    
    I2C_SCL_SET;                // SCL置高     
    I2C_SDA_SET;                // SDA置高
}

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

static void start(void)
{
    
    
    I2C_SCL_SET;                // SCL置高
    I2C_SDA_SET;                // SDA置高
    I2C_Delay_us(1);

    I2C_SDA_RESET;              // SDA清零
    I2C_Delay_us(10);

    I2C_SCL_RESET;              // SCL清零
    I2C_Delay_us(1);
}

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

static void stop(void)
{
    
    
    I2C_SDA_RESET;              // SDA清零
    I2C_SCL_SET;                // SCL置高
    I2C_Delay_us(1);

    I2C_SDA_SET;                // SDA置高
    I2C_Delay_us(10);
}

I2C写字节时序：1、主机发送1个字节；2、接收从机发来的ACK信号； 3、释放信号线
注：在SCL低变高的时候数据变化，在SCL高电平时保持数据变化

static ACK_Value_t Write_Byte(uint8_t data)
{
    
    
    uint8_t i;
    ACK_Value_t  ACK_Rspond;

    // When SCL is in low power hours, SDA changes its state. 
    // When SCL is in high power hours, SDA state must be stable.
    for(i=0;i<8;i++)
    {
    
    
        I2C_SCL_RESET;              // SCL清零，准备发送数据位
        I2C_Delay_us(1);

        if((data&BIT7) == BIT7)     // 要发送的数据最高位，高位先发
            I2C_SDA_SET;
        else
            I2C_SDA_RESET;
        
        I2C_Delay_us(1);
        I2C_SCL_SET;                // SCL置高，发送数据
        I2C_Delay_us(10);

        data <<= 1;                 // 移位，准备下个数据位发送
    }

    I2C_SCL_RESET;                  // SCL清零，准备接收从机发来的ACK信号
    I2C_SDA_SET;                    // 将SDA释放信号
    I2C_Delay_us(1);
    I2C_SCL_SET;                    // 接收从机发来的信号
    I2C_Delay_us(10);

    ACK_Rspond = (ACK_Value_t)I2C_READ_SDA;     // 将信号保存到ACK_Rspond

    I2C_SCL_RESET;                  // 释放SCL
    I2C_Delay_us(1);

    return ACK_Rspond;              // 返回ACK信号
}   

I2C读字节时序：1、主机接收1个字节；2、接收完成，主机发ACK信号回复从机； 3、释放信号线
注：在SCL低变高的时候数据变化，在SCL高电平时保持数据变化，可采到接收值

static uint8_t Read_Byte(ACK_Value_t ack)
{
    
    
    uint8_t RD_Byte=0,i;

    for(i=0; i<8; i++)              // 循环接收一个字节数据
    {
    
    
        RD_Byte <<= 1;              // 准备接收下一位数据

        I2C_SCL_RESET;              // SCL清零，从机SDA准备数据
        I2C_Delay_us(10);

        I2C_SCL_SET;                // SCL置高，获取数据
        I2C_Delay_us(10);

        RD_Byte |= I2C_READ_SDA;    // 将数据保存在RD_Byte缓存里
    }

    I2C_SCL_RESET;                  //SCL清零，主机准备应答信号
    I2C_Delay_us(1);

    if(ack == ACK)
    {
    
    
        I2C_SDA_RESET;              // 主机SDA清零，回应从机ACK，接收成功
    }
    else
    {
    
    
        I2C_SDA_SET;                // 主机SDA置高，回应从机NACK，接收失败
    }

    I2C_SCL_SET;                    // SCL置高，发送ACK
    I2C_Delay_us(10);

    //释放SDA数据线
    //SCL先清零，再释放SDA，防止连续传输数据时，从机错将SDA释放信号当成NACk信号
    I2C_SCL_RESET;      
    I2C_SDA_SET;    
    I2C_Delay_us(1);

    return RD_Byte;         // 返回接收到的字节
}

static void I2C_Delay_us(uint8_t us)
{
    
    
    uint8_t i = 0;
    
    //通过示波器测量进行校准
    while(us--)
    {
    
    
        for(i=0;i<7;i++);
    }
}

SHT30相关代码

构建一个SHT30结构体并初始化

typedef struct 
{
    
    
  float     fTemperature_Value;            // 保存温度值
  uint8_t   ucHumidity_Value;              // 保存湿度值

  void (*Measure_Period_Mode)(void);       // 测量函数
} SHT3X_t;

extern SHT3X_t SHT3X;

SHT3X_t SHT3X=
{
    
    
  0.0,
  0,
  Measure_Period_Mode
};

调用I2C接口实现SHT30时序，获取当前温湿度值

#define SHT3X_ADDR  (uint8_t)(0x44 << 1)      // SHT30地址，I2C地址位为7位，因此一定要向左移一位。第8位为读写位
#define Write_CMD   0xFE
#define Read_CMD    0x01

static void Measure_Period_Mode(void)
{
    
    
  uint8_t   SHT32X_RD_array[6] = {
    
    0};
  uint16_t  temp_uint     = 0;
  float     temp_float    = 0;

  // 1、设备芯片检测模式：启动周期性测量  High repeat , mps = 10
  Myi2c.start();
  Myi2c.Write_Byte(SHT3X_ADDR&Write_CMD);

  Myi2c.Write_Byte(0x27);
  Myi2c.Write_Byte(0x37);

  // 2、读当前温湿度值，寄存器0xE000
   Timer6.SHT30_Measure_Timeout =0;                // 使用定时器6 定时测量时间
  do
  {
    
    
    if(Timer6.SHT30_Measure_Timeout >= TIMER6_2S) //2s内没获取到数据，退出等待
      break;

    Myi2c.start();
    Myi2c.Write_Byte(SHT3X_ADDR&Write_CMD);
    Myi2c.Write_Byte(0xE0);
    Myi2c.Write_Byte(0x00);

    Myi2c.start();
  } while (Myi2c.Write_Byte(SHT3X_ADDR | Read_CMD) == NACK);

  if(Timer6.SHT30_Measure_Timeout < TIMER6_2S)
  {
    
    
    SHT32X_RD_array[0]=Myi2c.Read_Byte(ACK);
    SHT32X_RD_array[1]=Myi2c.Read_Byte(ACK);
    SHT32X_RD_array[2]=Myi2c.Read_Byte(ACK);
    SHT32X_RD_array[3]=Myi2c.Read_Byte(ACK);
    SHT32X_RD_array[4]=Myi2c.Read_Byte(ACK);
    SHT32X_RD_array[5]=Myi2c.Read_Byte(NACK);

    Myi2c.stop();

    // 3、CRC校验以及温度计算，见手册讲解
    if(CRC_8(SHT32X_RD_array,2) == SHT32X_RD_array[2]) //CRC-8 校验
    {
    
    
      temp_uint         = SHT32X_RD_array[0]*256+SHT32X_RD_array[1];
      temp_float        = ((float)temp_uint)*0.267032-4500;
      SHT3X.fTemperature_Value  = temp_float*0.01;
    }
      
    // 3、CRC校验以及温度计算，见手册讲解
    if(CRC_8(&SHT32X_RD_array[3],2) == SHT32X_RD_array[5]) //CRC-8 校验
    {
    
    
      temp_uint      = SHT32X_RD_array[3]*256+SHT32X_RD_array[4];
      temp_float     = ((float)temp_uint)*0.152590;
      temp_float     = temp_float*0.01;
      SHT3X.ucHumidity_Value = (unsigned char)temp_float;  
    }
  }
}

main函数中循环代码

while (1)
{
    
    
    float    Temp_float = 0;
    uint16_t Temp_uint  = 0;

    //获取SHT30的温湿度
    SHT3X.Measure_Period_Mode();
    
    //数码管显示
    //温度
    if(SHT3X.fTemperature_Value < 0) //负温
    {
    
    
        Temp_float = 0 - SHT3X.fTemperature_Value;
        Display.Disp_Other(Disp_NUM_GRID3,0x40,Disp_DP_OFF); //4号数码管显示负号
    }
    else
    {
    
    
        Temp_float = SHT3X.fTemperature_Value;
        Display.Disp_Other(Disp_NUM_GRID3,0x00,Disp_DP_OFF); //4号数码管关闭
    }
    Temp_uint = (uint16_t)(Temp_float*10);
    
    Display.Disp(Disp_NUM_GRID4,Temp_uint/100,Disp_DP_OFF);
    Display.Disp(Disp_NUM_GRID5,Temp_uint%100/10,Disp_DP_ON);
    Display.Disp(Disp_NUM_GRID6,Temp_uint%10,Disp_DP_OFF);
    
    //湿度
    Display.Disp(Disp_NUM_GRID1,SHT3X.ucHumidity_Value/10,Disp_DP_OFF);
    Display.Disp(Disp_NUM_GRID2,SHT3X.ucHumidity_Value%10,Disp_DP_OFF);
    
    HAL_Delay(500);
}

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五、结果演示

方式一、示波器分析I2C数据

实验结果：
温度：21.4℃ 湿度：47

方式2、通过Modbus将获取到的数据传到PC上

修改Modbus相关代码

diff --git a/MyApplication/Src/Modbus.c b/MyApplication/Src/Modbus.c
index 7665eee..b6caf10 100755
--- a/MyApplication/Src/Modbus.c
+++ b/MyApplication/Src/Modbus.c
@@ -106,24 +106,26 @@ static void Modbus_Read_Register(UART_t* UART)
                //功能码
                *(COM_UART->pucSend_Buffer+1)  = FunctionCode_Read_Register;
                //数据长度(字节)
-               *(COM_UART->pucSend_Buffer+2)  = 2;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+2)  = 6;
                //发送数据
                // deep status
                *(COM_UART->pucSend_Buffer+3)  = 0;
                *(COM_UART->pucSend_Buffer+4) = Deep.Read_Deep();
-               *(COM_UART->pucSend_Buffer+5)  = 0;
-               *(COM_UART->pucSend_Buffer+6) = 0x66;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+5)  = ((uint16_t)(SHT3X.fTemperature_Value*10))/256;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+6) = ((uint16_t)(SHT3X.fTemperature_Value*10))%256;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+7)  = 0;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+8) = SHT3X.ucHumidity_Value;
                
                //插入CRC
-               CRC_16.CRC_Value = CRC_16.CRC_Check(COM_UART->pucSend_Buffer,7); //计算CRC值
+               CRC_16.CRC_Value = CRC_16.CRC_Check(COM_UART->pucSend_Buffer,9); //计算CRC值
                CRC_16.CRC_H     = (uint8_t)(CRC_16.CRC_Value >> 8);
                CRC_16.CRC_L     = (uint8_t)CRC_16.CRC_Value;
                
-               *(COM_UART->pucSend_Buffer+7) = CRC_16.CRC_L;
-               *(COM_UART->pucSend_Buffer+8) = CRC_16.CRC_H;
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+9) = CRC_16.CRC_L;^M
+               *(COM_UART->pucSend_Buffer+10) = CRC_16.CRC_H;^M
 
                //发送数据
-               UART3.SendArray(COM_UART->pucSend_Buffer,9);
+               UART3.SendArray(COM_UART->pucSend_Buffer,11);
        }
 }

主设备为PC端安装的MThings进行Modbus收发数据。 MThings软件具体操作可参考Modbus通信详解中的结果演示以及报文解析

[2023-03-18 15:45:34-919]COM38-发送：01 03 9c 41 00 03 7b 8f
0x01：主机要查询的从设备地址
0x03：功能码 查询读操作
0x9c 0x41：寄存器地址0x9c41转十进制地址为40,001
0x00 0x02：读取三个数据（一个数据3字节）
0x7b 0x8f：CRC校验码

[2023-03-18 15:45:34-941]COM38-接收：01 03 06 00 00 00 d6 00 2e 91 40
0x01：告诉主机自己从设备地址
0x03：功能码 读操作
0x00 0x00：读出第一个数据为0x01，当前蜂鸣器关闭状态
0x00 0xd6：读取第二个数据为0xd6，温度值=214/10=21.4℃ （发送代码将值乘以10，这里需要除以10获取真实温度值）
0x00 0x2e：读取第二个数据为0x2e，湿度值=46
0x91 0x40：CRC校验码