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物联网实战--入门篇之(五)嵌入式-IIC驱动(SHT30温湿度)

作者：知新_RL | 2024-04-04 21:01:19

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物联网实战--入门篇之(五)嵌入式-IIC驱动(SHT30温湿度)

目录

一、IIC简介

二、IIC驱动解析

三、SHT30驱动

四、总结

一、IIC简介

        不管是IIC还是串口，亦或SPI，它们的本质区别在于有各自的规则，就是时序图；它们的相同点就是只要你理解了时序图，你就可以用最普通的IO引脚模拟出各自的通讯总线，但是一般来讲没那必要，特别是串口，模拟比较麻烦，而且速率较高，使用频率较高，很费系统资源，不合算。可以发现 我的代码里IIC驱动是用自己模拟的，主要是因为1、硬件IIC有时候会卡死；2、IIC速率比较低，且使用频率较低；3、便于在各个芯片平台上移植；4、有时候IIC的设备比较多，模拟引脚选择灵活，便于PCB设计。

        那么，下面看下模拟IIC的文件，其实并不难，就是按时序图来就行了，具体时序图就不贴了，总的就下图这几个函数，然后再根据具体IIC从设备的要求读写相应数据就行了。

二、IIC驱动解析

        接下来讲解下驱动代码，先从结构体开始，主要就是保存应用层的SDA和SCL引脚信息，还有个延时，正常默认5us，不需要改动。SDA_0等这些宏定义主要是为了程序的简洁以及驱动文件移植时便于修改，只要替换各自平台的引脚操作函数即可。

        SCL是时钟引脚，总是作为输出，而SDA有时候是输出有时候是输入，所以需要IIC_SdaInMode()和IIC_SdaOutMode()进行引脚模式的切换。

        以下是IIC驱动的引脚相关函数，移植到其他平台的时候需要修改成相应的函数。

  1.  
  2.  
  3. /*		
  4. ================================================================================
  5. 描述 : IIC引脚初始化
  6. 输入 : 
  7. 输出 : 
  8. ================================================================================
  9. */
  10. void IIC_GPIOInit(I2cDriverStruct *pDriver)
  11. {
  12. 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  13. 	
  14. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
  15. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 
  16. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  17. 	GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);	
  18. 	
  19. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_scl;
  20. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  21. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  22. 	GPIO_Init(pDriver->port_scl, &GPIO_InitStruct);		
  23.   
  24.   pDriver->delay_time=IIC_DELAY_TIME;
  25. }
  26.  
  27.  
  28. /*		
  29. ================================================================================
  30. 描述 : SDA设置成输入模式
  31. 输入 : 
  32. 输出 : 
  33. ================================================================================
  34. */
  35. void IIC_SdaInMode(I2cDriverStruct *pDriver)
  36. {
  37. 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  38. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
  39. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
  40. 	GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);
  41. }
  42.  
  43. /*		
  44. ================================================================================
  45. 描述 : SDA设置成输出模式
  46. 输入 : 
  47. 输出 : 
  48. ================================================================================
  49. */
  50. void IIC_SdaOutMode(I2cDriverStruct *pDriver)
  51. {
  52. 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  53. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
  54. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  55. 	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  56. 	GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);
  57. }

        以下是根据IIC时序图写的信号代码，不同人模拟的代码首尾可能略有差别，但是最核心的信号状态是一样的，这个不用太纠结。具体的每个信号是什么作用、该怎么使用，等等结合SHT30温湿度的驱动再说明。

  1.  
  2. /*		
  3. ================================================================================
  4. 描述 : 起始信号
  5. 输入 : 
  6. 输出 : 
  7. ================================================================================
  8. */
  9. void IIC_Start(I2cDriverStruct *pDriver)
  10. {
  11. 	SCL_1;
  12. 	SDA_1;
  13. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  14. 	SDA_0;
  15. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  16. 	SCL_0;
  17. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  18. }
  19.  
  20.  
  21. /*		
  22. ================================================================================
  23. 描述 : 停止信号
  24. 输入 : 
  25. 输出 : 
  26. ================================================================================
  27. */
  28. void IIC_Stop(I2cDriverStruct *pDriver)
  29. {
  30. 	SDA_0;
  31. 	SCL_1;
  32. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  33. 	SDA_1;
  34. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  35. 	SCL_0;
  36. }
  37.  
  38.  
  39. /*		
  40. ================================================================================
  41. 描述 : 应答
  42. 输入 : 
  43. 输出 : 
  44. ================================================================================
  45. */
  46. void IIC_Ack(I2cDriverStruct *pDriver)
  47. {
  48. 	SDA_0;
  49. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  50. 	SCL_1;
  51. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  52. 	SCL_0;
  53. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  54. 	SDA_1;
  55. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  56. }
  57.  
  58. /*		
  59. ================================================================================
  60. 描述 : 非应答
  61. 输入 : 
  62. 输出 : 
  63. ================================================================================
  64. */
  65. void IIC_NAck(I2cDriverStruct *pDriver)
  66. {
  67. 	SCL_0;
  68. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  69. 	SDA_1;
  70. 	SCL_1;
  71. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  72. 	
  73. }
  74.  
  75. /*		
  76. ================================================================================
  77. 描述 : 等待回复
  78. 输入 : 
  79. 输出 : 
  80. ================================================================================
  81. */
  82. bool IIC_WaitAck(I2cDriverStruct *pDriver)
  83. {
  84. 	u32 wait_tickets=0;
  85. 	
  86. 	SCL_0;
  87. 	IIC_SdaInMode(pDriver);
  88. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  89. 	
  90. 	while(SDA_READ()>0)
  91. 	{
  92. 		wait_tickets++;
  93. 		if(wait_tickets>250)
  94. 		{
  95. 			IIC_SdaOutMode(pDriver);
  96. 			delay_us(pDriver->delay_time);
  97. 			IIC_Stop(pDriver);
  98. 			return false;
  99. 		}
  100. 		delay_us(1);
  101. 	}
  102. 	SCL_1;
  103. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  104. 	SCL_0;
  105. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  106. 	IIC_SdaOutMode(pDriver);
  107. 	return true;
  108. }

        以下是IIC的字节读写函数，也是根据时序来就行了，传输过程是先高位后低位，读的时候SDA引脚要先设置成输入模式。

  1. /*		
  2. ================================================================================
  3. 描述 : 读取一个字节
  4. 输入 : 
  5. 输出 : 
  6. ================================================================================
  7. */
  8. u8 IIC_ReadByte(I2cDriverStruct *pDriver)
  9. {
  10. 	u8 i, data=0;
  11. 	
  12. 	IIC_SdaInMode(pDriver);
  13. 	for(i=0;i<8;i++)
  14. 	{
  15. 		SCL_0;
  16. 		delay_us(pDriver->delay_time);
  17. 		SCL_1;
  18. 		delay_us(pDriver->delay_time);
  19. 		data=data<<1;//左移，高位先读取
  20. 		if(SDA_READ()>0)
  21. 		{
  22. 			data|=0x01;
  23. 		}
  24. 	}
  25. 	SCL_0;
  26. 	IIC_SdaOutMode(pDriver);
  27. 	delay_us(pDriver->delay_time);
  28. 	return data;
  29. }
  30. /*		
  31. ================================================================================
  32. 描述 : 写入一个字节
  33. 输入 : 
  34. 输出 : 
  35. ================================================================================
  36. */
  37. void IIC_WriteByte(I2cDriverStruct *pDriver, u8 data)
  38. {
  39. 	u8 i;
  40. 	for(i=0;i<8;i++)
  41. 	{
  42. 		SCL_0;
  43. 		if(data&0x80)//高位先写
  44. 		{
  45. 			SDA_1;			
  46. 		}
  47. 		else
  48. 		{
  49. 			SDA_0;
  50. 		}
  51. 		delay_us(pDriver->delay_time);
  52. 		SCL_1;
  53. 		delay_us(pDriver->delay_time);
  54. 		data=data<<1;  
  55. 	}
  56.  
  57. }

        以上基本是模拟IIC的驱动文件的全部内容了，自己看会发现每个函数输入都有一个I2cDriverStruct结构体，这样便于多个IIC设备驱动，比如2个SHT30+2个AT24C64一起使用都是没问题的，只要把各自的引脚定义清楚来就行了，互不干扰。

三、SHT30驱动

        净化器项目跟IIC相关的就是SHT30温湿度传感器了，我们一般就是读取温湿度值就行了，所以用起来比较简单，具体看下图，其中结构体Sht30WorkStruct内容就是器件地址、IIC结构体和温湿度数值，函数主要是初始化和读取温湿度，设置地址在特殊情况下才用。

        以下是初始化代码，主要是引脚初始化和配置默认的器件地址，这个器件地址是所有IIC从机设备都有的，根据芯片厂家和硬件设计来确定，比如这里的STH30，默认是0x44;如果ADDR引脚上拉则是0x45，数据手册截图如下所示。如果器件地址是0x45的话那就在应用层调用drv_sht30_set_addr进行设置即可。

  1. /*		
  2. ================================================================================
  3. 描述 : 器件引脚初始化
  4. 输入 : 
  5. 输出 : 
  6. ================================================================================
  7. */
  8. void drv_sht30_init(Sht30WorkStruct *pSht30Work)
  9. {
  10. 	IIC_GPIOInit(&pSht30Work->tag_iic);
  11. 	pSht30Work->dev_addr=0x44;//默认器件地址
  12. }

        核心的就是温湿度读取了，具体代码如下，其中0x2C06是温湿度所在的寄存器地址，要读取6个字节，分别是温度高8位、温度低8位、温度校验码、湿度高8位、湿度低8位和湿度校验码，按顺序先读取出来后再自己根据公式进行整合即可。

        IIC读取的常规流程是先写入器件地址，同时通过配置器件地址的最低位说明下一步是写数据，也就是写入寄存器地址，这里是两个字节，先高8位后低8位，写完后先停止并充分延时下，让SHT30做好准备，否则不能正确读取；随后再次启动传输，写入器件地址并配置读数据需求，紧接着连续读取6字节数据，最后就是根据公式转换成实际的温湿度值就行了。

        在读取温湿度过程中会发现，IIC的时序函数起到了调度指挥的作用，起始、等待回复、停止等等，都是按顺序来的，具体自己结合代码看下。

  1.  
  2. /*		
  3. ================================================================================
  4. 描述 : 读取温湿度数据
  5. 输入 : 
  6. 输出 : 
  7. ================================================================================
  8. */
  9. void drv_sht30_read_th(Sht30WorkStruct *pSht30Work)
  10. {
  11. 	u16 reg_addr=0x2C06;//温湿度的寄存器地址,由数据手册得来
  12. 	u8 dev_addr=pSht30Work->dev_addr;
  13. 	I2cDriverStruct *pIIC=&pSht30Work->tag_iic;
  14. 	
  15. 	IIC_Start(pIIC);
  16. 	IIC_WriteByte(pIIC, dev_addr<<1|0x00);//准备写入寄存器地址
  17. 	IIC_WaitAck(pIIC);
  18. 	
  19. 	IIC_WriteByte(pIIC, reg_addr>>8);//写入寄存器地址高8位
  20. 	IIC_WaitAck(pIIC);	
  21. 	IIC_WriteByte(pIIC, reg_addr&0xFF);//写入寄存器地址低8位
  22. 	IIC_WaitAck(pIIC);		
  23. 	IIC_Stop(pIIC);
  24. 	delay_ms(20);//这个延时要稍微长点20ms以上
  25. 	
  26. 	IIC_Start(pIIC);
  27. 	IIC_WriteByte(pIIC, dev_addr<<1|0x01);//准备读取数据
  28. 	IIC_WaitAck(pIIC);	
  29. 	
  30. 	u8 buff[10]={0};
  31. 	for(u8 i=0; i<6; i++)//读取温湿度和校验值状态
  32. 	{
  33. 		buff[i]=IIC_ReadByte(pIIC);
  34. 		if(i<5)IIC_Ack(pIIC);
  35. 		else IIC_NAck(pIIC);
  36. 	}
  37. 	IIC_Stop(pIIC);
  38. 	
  39. 	u16 temp=buff[0]<<8|buff[1];//温度寄存器值
  40. 	u16 humi=buff[3]<<8|buff[4];//湿度寄存器值
  41. 	
  42. 	pSht30Work->temp_value=175.f*(float)temp/65535.f-45.f ;//转换成温度-℃
  43. 	pSht30Work->humi_value=100.f*(float)humi/65535.f;//转换为湿度-%
  44. 	
  45. 	printf("temp=%.1f C, humi=%.1f%%\n", pSht30Work->temp_value, pSht30Work->humi_value);
  46. }

        由于系统可能挂载多个温湿度传感器，所以SHT30驱动程序函数入口都有一个Sht30WorkStruct结构体。

        在应用层，主要就是定义SHT30结构体、初始化引脚和读取操作了，具体如下所示。

四、总结

        IIC模拟驱动可以用在其它各种IIC器件，比如AT24Cxx系列的EEPROM、RC522 RFID感应模块等等，底层的IIC驱动过程都是一样的，剩下的就是根据数据手册，配置不同的器件地址和操作不同的寄存器地址了，基本原理是一样的，后续有机会再多写一些IIC设备的驱动。

        

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   写于2024-3-30

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