第十二章 ESP32读取SHT30的温湿度（IIC）

其他 2020-03-13 10:42:33 阅读次数: 0

学习目的及目标

  1. I2C通信的原理
  2. 学习ESP32 的I2C功能的配置
  3. 掌握I2C读取SHT30的温湿度程序

I2C通讯协议简介

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。下面我们分别对 I2C协议的物理层及协议层进行讲解。

物理层

2C通讯设备之间的常用连接方式通讯结构如下。

它的物理层有以下几个主要特点：

  • 支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
  • 一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
  • 每个连接到总线的设备都有一个唯一的地址，主机利用这个地址在不同设备之间的访问。
  • 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
  • 常用的速率：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s。
  • 最近I3C出来了，性能提升大大的 。

协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

 I2C 通讯过程的基本结构如下：

  • I2C写格式

 

  • I2C读格式

  • I2C读写格式

I2C 的几个细节如下：

  • I2C的起始和停止信号

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 23-5。当 SCL 线是高电

平时SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

  • 数据有效性

I2C使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在 SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候 SDA表示的数据有效，即此时的 SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候 SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

  • 地址及数据方向

I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是 7位或 10位，实际中 7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第 8位或第 11位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。

读数据方向时，主机会释放对 SDA信号线的控制，由从机控制 SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

  • 响应

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

传输时主机产生时钟，在第 9个时钟时，数据发送端会释放 SDA的控制权，由数据接收端控制 SDA，若 SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

抄了这么多理论其实没什么用，因为ESP32带硬件I2C，只要调用相关API即可，用起来非常简单。

SHT30温湿度传感器参数介绍

  • SHT30温湿度测试范围

温度

湿度

-40~125℃ 误差±0.3℃

0~100% 误差征服3%RH
  • SHT30有两种通信格式，此处只讲解I2C通信，原理图如下：

  • SHT30写时序

  • SHT30读温度时序

  • SHT30其他命令的时序类似，请参考SHT30英文手册。

硬件设计及原理

本实验板使用了ESP32的I2C_1，下表是我们的程序IO的映射。

I2C_1

功能

映射ESP32的引脚

SCL

时钟

IO33

SDA

数据

IO32

若您使用的实验板I2C的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。

软件设计

代码逻辑

ESP32的I2C master接口介绍

此处的接口可以和I2C通信原理里面的名词对应上。

  • I2C配置函数：i2c_param_config();

函数原型

esp_err_t i2c_param_config

(

i2c_port_t i2c_num,

const i2c_config_t* i2c_conf

)

函数功能

I2C配置函数

参数

[in] i2c_num:I2C编号号，取值

  1. I2C_NUM_0 = 0, /*I2C_0 */
  2. I2C_NUM_1 , /*I2C_1*/

[in] i2c_conf:I2C参数配置

typedef struct{

i2c_mode_t mode; /*I2C模式 */

gpio_num_t sda_io_num; /*SDA引脚*/

gpio_pullup_t sda_pullup_en; /*SDA上拉使能*/

gpio_num_t scl_io_num; /*SCL引脚*/

gpio_pullup_t scl_pullup_en; /*SCL上拉使能*/

union {

struct {

uint32_t clk_speed; /*时钟速度*/

} master;

struct {

uint8_t addr_10bit_en; /*10位地址使能*/

uint16_t slave_addr; /*作为从机时地址*/

} slave;

};

}i2c_config_t;

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误
  • I2C功能安装使能函数：i2c_driver_install();

函数原型

esp_err_t i2c_driver_install

(

i2c_port_t i2c_num,

i2c_mode_t mode,

size_t slv_rx_buf_len,

size_t slv_tx_buf_len,

int intr_alloc_flags

)

函数功能

I2C功能安装使能函数

参数

[in] i2c_num:I2C编号

[in] mode:I2C模式

[in] slv_rx_buf_len:接收缓存大小

[in] slv_tx_buf_len:发送缓存大小

[in] intr_alloc_flags:分配中断标记

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误
  • 创建I2C连接函数：i2c_cmd_link_create();

函数原型

int i2c_cmd_link_create()

函数功能

创建I2C连接函数

参数

[in] 无

返回值

i2c_cmd_handle_t：I2C连接的句柄
  • 写启动信号到缓存函数：i2c_master_start();

函数原型

esp_err_t i2c_master_start

(

i2c_cmd_handle_t cmd_handle

)

函数功能

I2C写启动信号到缓存函数

参数

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误
  • 写一个字节的命令放到到缓存函数：i2c_master_write_byte();

函数原型

esp_err_t i2c_master_write_byte

(

i2c_cmd_handle_t cmd_handle,

uint8_t data,

bool ack_en

)

函数功能

I2C写一个字节的命令放到缓存函数

参数

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

[in] data:发送的数据

[in] ack_en:是否需要等待ack使能

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误
  • 写停止信号到缓存函数：i2c_master_stop();

函数原型

esp_err_t i2c_master_stop

(

i2c_cmd_handle_t cmd_handle

)

函数功能

I2C写停止信号到缓存函数

参数

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误
  • I2C发送函数：i2c_master_cmd_begin();

函数原型

esp_err_t i2c_master_cmd_begin

(

i2c_port_t i2c_num,

i2c_cmd_handle_t cmd_handle,

TickType_t ticks_to_wait

)

函数功能

I2C发送函数

参数

[in] i2c_num:I2C编号

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

[in] ticks_to_wait:等待时间

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误

ESP_FAIL：发送错误

ESP_ERR_INVALID_STATE：I2C设备未初始化

ESP_ERR_TIMEOUT：超时
  • 删除I2C连接函数：i2c_cmd_link_delete();

函数原型

void i2c_cmd_link_delete

(

i2c_cmd_handle_t cmd_handle

)

函数功能

I2C发送启动信号函数

参数

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

返回值

无

以上是I2C发送数据的整个流程的API，流程如下图

  • 读一个字节的命令放到缓存函数：i2c_master_read_byte();

函数原型

esp_err_t i2c_master_read_byte

(

i2c_cmd_handle_t cmd_handle,

uint8_t* data,

i2c_ack_type_t ack

)

函数功能

I2C读一个字节的命令放到缓存函数

参数

[in] cmd_handle:I2C连接的句柄，i2c_cmd_link_create()函数的返回值

[in] data:发送的数据

[in] ack:应答的值

返回值

ESP_OK：成功

ESP_ERR_INVALID_ARG : 参数错误

以上是I2C读数据的整个流程的API，流程如下图

更多更详细接口请参考官方指南。

 

SHT30温度采集代码编写

加载I2C相关的头文件、定义I2C的IO映射引脚、定义相关变量等。

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#include <stdio.h>

#include "string.h"

#include "esp_system.h"

#include "esp_spi_flash.h"

#include "esp_wifi.h"

#include "esp_event_loop.h"

#include "esp_log.h"

#include "esp_err.h"

#include "nvs_flash.h"

#include "freertos/FreeRTOS.h"

#include "freertos/task.h"

#include "freertos/FreeRTOS.h"

#include "freertos/task.h"

#include "driver/gpio.h"

#include "driver/i2c.h"

//I2C

#define I2C_SCL_IO 33 //SCL->IO33

#define I2C_SDA_IO 32 //SDA->IO32

#define I2C_MASTER_NUM I2C_NUM_1 //I2C_1

#define WRITE_BIT I2C_MASTER_WRITE //写:0

#define READ_BIT I2C_MASTER_READ //读:1

#define ACK_CHECK_EN 0x1 //主机检查从机的ACK

#define ACK_CHECK_DIS 0x0 //主机不检查从机的ACK

#define ACK_VAL 0x0 //应答

#define NACK_VAL 0x1 //不应答

//SHT30

#define SHT30_WRITE_ADDR 0x44 //地址

#define CMD_FETCH_DATA_H 0x22 //循环采样，参考sht30 datasheet

#define CMD_FETCH_DATA_L 0x36
  • I2C配置函数

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void i2c_init(void)

{

//i2c配置结构体

    i2c_config_t conf;

    conf.mode = I2C_MODE_MASTER;                    //I2C模式

    conf.sda_io_num = I2C_SDA_IO;                   //SDA IO映射

    conf.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;        //SDA IO模式

    conf.scl_io_num = I2C_SCL_IO;                   //SCL IO映射

    conf.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;        //SCL IO模式

    conf.master.clk_speed = 100000;                 //I2C CLK频率

    i2c_param_config(I2C_MASTER_NUM, &conf);        //设置I2C

    //注册I2C服务即使能

    i2c_driver_install(I2C_MASTER_NUM, conf.mode,0,0,0);

}
  • SHT30配置函数

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int sht30_init(void)

{

    int ret;

    //配置SHT30的寄存器

    i2c_cmd_handle_t cmd = i2c_cmd_link_create();               //新建操作I2C句柄

    i2c_master_start(cmd);                                         //启动I2C

    i2c_master_write_byte(cmd, SHT30_WRITE_ADDR << 1 | WRITE_BIT, ACK_CHECK_EN);  //发地址+写+检查ack

    i2c_master_write_byte(cmd, CMD_FETCH_DATA_H, ACK_CHECK_EN); //发数据高8位+检查ack

    i2c_master_write_byte(cmd, CMD_FETCH_DATA_L, ACK_CHECK_EN); //发数据低8位+检查ack

    i2c_master_stop(cmd);                                            //停止I2C

    ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, 100 / portTICK_RATE_MS); //I2C发送

    i2c_cmd_link_delete(cmd);                                                       //删除I2C句柄

    return ret;

}

 

  • 主函数：I2C初始化、SHT30初始化、定时读取温湿度值打印等。

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void app_main()

{

    i2c_init();                         //I2C初始化

    sht30_init();                       //sht30初始化

    vTaskDelay(100/portTICK_RATE_MS);   //延时100ms

    while(1)

    {

        if(sht30_get_value()==ESP_OK)   //获取温湿度

        {

            //算法参考sht30 datasheet

            g_temp    =( ( (  (sht30_buf[0]*256) +sht30_buf[1]) *175   )/65535.0  -45  );

            g_rh  =  ( ( (sht30_buf[3]*256) + (sht30_buf[4]) )*100/65535.0) ;

            ESP_LOGI("SHT30", "temp:%4.2f C \r\n", g_temp); //℃打印出来是乱码,所以用C

            ESP_LOGI("SHT30", "hum:%4.2f %%RH \r\n", g_rh);

        }            

        vTaskDelay(2000/portTICK_RATE_MS);

    }

}

硬件连接

可按照IO映射表将SHT30模块和ESP32开发板接好.

效果展示

温湿度传感器总结

  • 乐鑫已经把I2C部分的API封装的非常好，所以流程显得非常重要，无论什么I2C设备，一定要知道设备的I2C读写的流程。
  • 温湿度传感器如果在产品中想要保证准确度，传感器必须放置在产品边缘，产品外壳挖孔，传感器周围挖空等措施，在使用软件校正的办法保证最终的准确度。
  • 源码地址：https://github.com/xiaolongba/wireless-tech
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