12. 基于TI MSPM0G系列MCU的软件I2C驱动SHT20温湿度传感器实战

12. 基于TI MSPM0G系列MCU的软件I2C驱动SHT20温湿度传感器实战最近在做一个环境监测的小项目用到了SHT20温湿度传感器。这个传感器小巧精准通过I2C接口通信非常适合嵌入式系统。不过我手头的TI MSPM0G3507开发板虽然有硬件I2C模块但为了更透彻地理解I2C协议也为了在引脚资源紧张时多一个选择我决定用软件模拟I2C的方式来驱动它。软件I2C说白了就是用两个普通的GPIO引脚通过程序控制它们的高低电平变化来模拟出I2C通信所需要的时钟和数据信号。这种方式不依赖芯片的硬件I2C外设灵活度高在任何有GPIO的MCU上都能实现。今天我就带你从零开始手把手实现这个功能把环境温湿度数据读出来。1. 项目准备认识我们的“演员”在动手写代码之前咱们得先搞清楚要用到的两个核心“演员”MSPM0G系列MCU和SHT20传感器。1.1 SHT20温湿度传感器简介SHT20是一款非常流行的数字式温湿度传感器。它内部集成了电容式湿度传感元件和带隙式温度传感元件并通过一个高性能的CMOSens®芯片进行信号放大、模数转换和校准最终通过标准的I2C接口把数字结果送出来。它的几个关键参数咱们得记一下工作电压2.1V ~ 3.6V正好可以用我们开发板的3.3V供电。通信接口I2C。温度范围与精度-40℃ ~ 125℃典型精度±0.3℃。湿度范围与精度0% ~ 100% RH典型精度±3% RH。I2C器件地址固定为0x407位地址。记住这个地址后面通信全靠它。1.2 硬件连接连接非常简单只需要四根线。我习惯把SHT20的SCL和SDA接到开发板的PA0和PA1引脚上当然你也可以选择其他空闲的GPIO。SHT20引脚开发板引脚说明VCC3V3电源接3.3VGNDGND地线SCLPA0I2C时钟线我们用作软件SCLSDAPA1I2C数据线我们用作软件SDA注意I2C总线是开漏输出理论上需要外接上拉电阻通常4.7kΩ或10kΩ。不过很多开发板已经在I2C引脚上预留了上拉电阻或者像SHT20这类模块内部也集成了上拉。连接前最好确认一下如果通信不稳定可以尝试在SDA和SCL线上各加一个4.7kΩ电阻上拉到3.3V。2. 软件I2C协议的精髓与实现硬件连好了接下来就是重头戏用代码“画”出I2C的时序图。I2C通信就像两个人用一套特殊的“手语”对话有固定的开始、结束、发送、接收和应答手势。2.1 I2C通信的基本“手语”起始信号 (Start)时钟线SCL为高电平时数据线SDA从高电平跳变到低电平。这相当于说“喂注意了我要开始说话了”。停止信号 (Stop)时钟线SCL为高电平时数据线SDA从低电平跳变到高电平。意思是“好了我说完了”。数据有效性在SCL为高电平期间SDA线上的数据必须保持稳定。数据的变化只能发生在SCL为低电平的时候。你可以想象SCL是节拍器数据在节拍器抬起的瞬间被读取。应答信号 (ACK)发送方每发送完一个字节8位数据接收方需要在第9个时钟脉冲期间将SDA线拉低表示“我收到了”。如果SDA保持高电平就是非应答(NACK)表示“我没收到”或“别再发了”。2.2 用代码模拟“手语”理解了规则我们就可以用MSPM0的GPIO操作函数来模拟这些动作了。首先我们在工程里新建一个Hardware文件夹在里面创建bsp_sht20.c和bsp_sht20.h文件。在头文件bsp_sht20.h里我们先定义好操作SDA和SCL引脚的宏这样代码看起来更清晰以后换引脚也方便。#ifndef __BSP_SHT20_H__ #define __BSP_SHT20_H__ #include ti_msp_dl_config.h #include stdio.h // 根据你的实际连接修改这两个宏定义 #define I2C_PORT GPIOA #define I2C_SDA_PIN DL_GPIO_PIN_1 #define I2C_SCL_PIN DL_GPIO_PIN_0 #define I2C_SDA_IOMUX (IOMUX_PINCM_FUNCTION_ID_0 | IOMUX_PINCM_PORT_A | IOMUX_PINCM_PIN_1) #define I2C_SCL_IOMUX (IOMUX_PINCM_FUNCTION_ID_0 | IOMUX_PINCM_PORT_A | IOMUX_PINCM_PIN_0) // 设置SDA为输出模式主机要发送数据时 #define SDA_OUT() { \ DL_GPIO_initDigitalOutput(I2C_SDA_IOMUX); \ DL_GPIO_setPins(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN); \ DL_GPIO_enableOutput(I2C_PORT, I2C_SDA_PIN); \ } // 设置SDA为输入模式主机要接收数据时 #define SDA_IN() { DL_GPIO_initDigitalInput(I2C_SDA_IOMUX); } // 读取SDA引脚的电平 #define SDA_GET() ( ( ( DL_GPIO_readPins(I2C_PORT,I2C_SDA_PIN) I2C_SDA_PIN ) 0 ) ? 1 : 0 ) // 控制SDA和SCL引脚输出高(1)或低(0) #define SDA(x) ( (x) ? (DL_GPIO_setPins(I2C_PORT,I2C_SDA_PIN)) : (DL_GPIO_clearPins(I2C_PORT,I2C_SDA_PIN)) ) #define SCL(x) ( (x) ? (DL_GPIO_setPins(I2C_PORT,I2C_SCL_PIN)) : (DL_GPIO_clearPins(I2C_PORT,I2C_SCL_PIN)) ) // 微秒级延时函数需要根据你的系统主频调整 #define delay_us(X) delay_cycles( (CPUCLK_FREQ/1000000) * (X) ) // 函数声明 void IIC_Start(void); void IIC_Stop(void); uint8_t IIC_Wait_Ack(void); void IIC_Send_Ack(uint8_t ack); void IIC_Send_Byte(uint8_t dat); uint8_t IIC_Read_Byte(void); float SHT20_Read(uint8_t regaddr); #endif接下来在bsp_sht20.c中实现最核心的I2C底层时序函数。这里我放慢了时序适用于标准模式100kHz比较稳定。#include bsp_sht20.h /** * brief 产生IIC起始信号 * param 无 * retval 无 */ void IIC_Start(void) { SDA_OUT(); // 设置SDA为输出 SDA(1); // 起始条件SDA和SCL初始都为高 SCL(1); delay_us(5); // 保持一段时间确保起始条件建立 SDA(0); // 在SCL高期间SDA由高变低产生起始信号 delay_us(5); SCL(0); // 钳住I2C总线准备发送或接收数据 delay_us(5); } /** * brief 产生IIC停止信号 * param 无 * retval 无 */ void IIC_Stop(void) { SDA_OUT(); SCL(0); // 确保SCL为低 SDA(0); // 先拉低SDA delay_us(5); SCL(1); // 拉高SCL delay_us(5); SDA(1); // 在SCL高期间SDA由低变高产生停止信号 delay_us(5); } /** * brief 等待从机应答 * param 无 * retval 0: 收到应答 * 1: 未收到应答超时 */ uint8_t IIC_Wait_Ack(void) { uint8_t ack_flag 10; // 超时计数 SDA_IN(); // 设置SDA为输入准备读取从机应答 SCL(0); delay_us(5); SCL(1); // 第9个时钟脉冲释放SCL delay_us(5); // 循环读取SDA如果为高非应答且未超时则等待 while( (SDA_GET() 1) (ack_flag 0) ) { ack_flag--; delay_us(5); } if( ack_flag 0 ) // 超时未收到应答 { IIC_Stop(); // 发送停止信号释放总线 return 1; } else // 收到应答 { SCL(0); // 拉低SCL结束应答周期 SDA_OUT(); // 将SDA切换回输出模式为后续发送做准备 } return 0; } /** * brief 主机发送应答或非应答信号 * param ack: 0-发送应答(ACK)1-发送非应答(NACK) * retval 无 */ void IIC_Send_Ack(uint8_t ack) { SDA_OUT(); SCL(0); if(ack 0) { SDA(0); // 发送ACK拉低SDA } else { SDA(1); // 发送NACK保持SDA为高 } delay_us(5); SCL(1); // 产生一个时钟脉冲让从机读取应答位 delay_us(5); SCL(0); SDA(1); // 释放SDA线 } /** * brief IIC发送一个字节 * param dat: 要发送的数据 * retval 无 */ void IIC_Send_Byte(uint8_t dat) { uint8_t i; SDA_OUT(); SCL(0); // 拉低时钟线允许数据变化 for(i 0; i 8; i) { // 从最高位(MSB)开始发送 SDA( (dat 0x80) 7 ); delay_us(1); // 数据建立时间 SCL(1); // 拉高时钟数据被采样 delay_us(5); SCL(0); // 拉低时钟为下一位数据做准备 delay_us(5); dat 1; // 左移准备发送下一位 } } /** * brief IIC读取一个字节 * param 无 * retval 读取到的一个字节数据 */ uint8_t IIC_Read_Byte(void) { uint8_t i, receive 0; SDA_IN(); // 设置SDA为输入准备读取从机数据 for(i 0; i 8; i) { SCL(0); delay_us(5); SCL(1); // 拉高时钟读取数据位 delay_us(5); receive 1; // 左移为接收新数据位腾出空间 if( SDA_GET() ) // 如果SDA为高则该数据位为1 { receive | 1; } SCL(0); delay_us(5); } return receive; }3. 与SHT20传感器对话底层“手语”练熟了现在可以跟SHT20“对话”了。对话的流程是固定的打招呼起始信号、喊对方名字发送地址、下指令发送命令、等回复读取数据、说再见停止信号。SHT20支持两种测量模式我们使用更灵活的“非主机保持No Hold Master”模式。在这个模式下MCU发送测量命令后可以暂时放开总线去做别的事等会儿再来查询数据是否准备好。关键命令如下触发温度测量0xF3触发湿度测量0xF5读取数据的完整流程我画个简单的步骤图帮你理解启动通信发送起始信号。寻址写发送SHT20的写地址0x80(0x40 1 | 0)等待应答。发送命令发送测量命令0xF3或0xF5等待应答。等待测量延时一段时间具体时间查手册这里用查询方式。重新启动发送起始信号。寻址读发送SHT20的读地址0x81(0x40 1 | 1)等待应答。如果传感器数据未准备好会回复NACK需要重复此步骤。读取数据连续读取3个字节数据高8位、数据低8位、CRC校验位本示例为简化未使用CRC。结束通信发送停止信号。数据处理将高8位和低8位数据合并成一个16位整数并清除低2位的状态位最后代入公式换算成实际值。根据这个流程我们编写读取温湿度的核心函数。/** * brief 读取SHT20的温湿度值 * param regaddr: 命令字 * 0xF3: 读取温度 * 0xF5: 读取湿度 * retval 换算后的温度(℃)或湿度(%RH)值如果通信失败返回-1或-2 */ float SHT20_Read(uint8_t regaddr) { uint8_t data_H 0; uint8_t data_L 0; uint16_t data_raw 0; float result 0.0; // 步骤12: 起始信号 发送器件写地址(0x80) IIC_Start(); IIC_Send_Byte(0x80); if( IIC_Wait_Ack() 1 ) return -1; // 通信失败 // 步骤3: 发送测量命令 IIC_Send_Byte(regaddr); if( IIC_Wait_Ack() 1 ) return -2; // 通信失败 // 步骤456: 等待并查询数据是否就绪 // 在非主机模式下需要不断查询直到传感器应答ACK do { delay_us(100); // 等待传感器完成测量时间根据精度要求调整 IIC_Start(); // 重新启动 IIC_Send_Byte(0x81); // 发送器件读地址(0x81) } while( IIC_Wait_Ack() 1 ); // 如果收到NACK则继续查询 // 步骤7: 读取数据 (高8位、低8位、CRC8) data_H IIC_Read_Byte(); IIC_Send_Ack(0); // 读取第一个字节后发送ACK data_L IIC_Read_Byte(); IIC_Send_Ack(0); // 读取第二个字节后发送ACK IIC_Read_Byte(); // 读取CRC字节本示例忽略校验 IIC_Send_Ack(1); // 读取最后一个字节后发送NACK // 步骤8: 停止信号 IIC_Stop(); // 步骤9: 数据整合与换算 data_raw (data_H 8) | data_L; data_raw ~0x0003; // 清除低两位状态位 if( regaddr 0xf3 ) // 温度换算公式 { result (data_raw / 65536.0) * 175.72 - 46.85; } else if( regaddr 0xf5 ) // 湿度换算公式 { result (data_raw / 65536.0) * 125.0 - 6.0; // 湿度值需要限幅在0-100%之间 if(result 100.0) result 100.0; if(result 0.0) result 0.0; } return result; }4. 主程序让数据跑起来最后我们在主函数里调用上面的SHT20_Read函数并通过串口把数据打印出来这样就能在电脑上看到实时的温湿度了。别忘了在CCS的SysConfig工具中配置好串口UART0例如PA2-TX, PA3-RX并确保工程包含了正确的头文件路径。#include ti_msp_dl_config.h #include stdio.h #include bsp_sht20.h // 一个简单的串口发送字符串函数 void uart0_send_string(char* str) { while(*str ! \0) { while( DL_UART_isBusy(UART_0_INST) true ); // 等待串口空闲 DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str); // 发送一个字符 } } int main(void) { char output_buff[100] {0}; float temperature, humidity; // 系统初始化时钟、GPIO、UART等 SYSCFG_DL_init(); uart0_send_string(SHT20 Sensor Start!!\r\n); while(1) { // 读取温湿度 temperature SHT20_Read(0xF3); humidity SHT20_Read(0xF5); // 格式化字符串通过串口输出 sprintf(output_buff, Temperature %.2f C, Humidity %.1f %%RH\r\n, temperature, humidity); uart0_send_string(output_buff); // 延时约1秒根据你的CPUCLK_FREQ调整 delay_cycles(CPUCLK_FREQ); } }将代码编译下载到开发板打开串口调试助手如Putty、SecureCRT等设置正确的波特率与你SysConfig中配置的一致和端口就能看到每隔一秒刷新一次的温湿度数据了。提示如果串口显示乱码请检查串口调试助手的编码格式是否设置为UTF-8或者波特率、数据位、停止位等参数是否与代码配置完全匹配。5. 调试心得与常见问题第一次做软件I2C很容易在时序上栽跟头。这里分享几个我踩过的坑时序不准确delay_us函数的精度直接影响通信成功率。如果系统主频很高简单的循环延时可能不准确。可以考虑使用SysTick定时器来实现更精确的微秒延时。没有释放总线在IIC_Wait_Ack超时后一定要调用IIC_Stop()释放总线否则SDA和SCL可能一直被拉低导致总线死锁。引脚模式切换SDA线在发送输出和接收输入模式间切换一定要及时。发送地址、命令、ACK时是输出等待ACK和接收数据时必须设为输入。上拉电阻这是最容易被忽略的。如果通信时波形用逻辑分析仪看是对的但就是收不到数据或数据不对首先检查SDA和SCL线上是否有足够强的上拉通常4.7kΩ到10kΩ。从机地址务必确认传感器地址是否正确。SHT20的7位地址是0x40但I2C协议发送时是8位最低位是读写位。所以写地址是0x40 1 0x80读地址是0x81。通过这个实战项目我们不仅成功读取了SHT20的数据更重要的是彻底理解了I2C协议是如何通过两根线实现设备间通信的。软件模拟I2C虽然效率不如硬件但这份对协议底层时序的掌控感是直接调用库函数无法比拟的。下次遇到没有硬件I2C或者引脚冲突的情况你就能从容应对了。