day06（单片机）IIC+STH20

目录

IIC+SHT20

I2C基础简介

 为什么I2C需要使用上拉电阻？

I2C特点

时序图分析

起始信号与终止信号

数据传输时序

字节传输和应答信号·

I2C寻址

主机给从机发送一个字节

主机给从机发送多个字节

主机从从机接收一个字节

主机从从机接收多个字节

I2C寄存器

I2C_RXDR（I2C 接收数据寄存器）

I2C_TXDR（I2C 发送数据寄存器）

温度传感器实验

模块简介

SHT20通讯原理

起始和终止时序

通信时序

IIC地址

I2C相关命令

hold master通信时序

no hold master通信时序

SHT20信号转换

湿度转换

温度转换

硬件IIC实验-SHT20读取实验

引脚定位

cubeMX配置

驱动代码移植

重定向相关

程序编写

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IIC+SHT20

I2C基础简介

IIC（Inter-Integrated Circuit）是一个多主从的串行总线，又叫I2C，是由飞利浦公司发明的通讯总线，属于半双工同步传输类型总线。IIC总线是非常常见的数据总线，仅仅使用两条线就能完成多机通讯，一条SCL时钟线，另外一条双向数据线SDA。不同的器件，都是并联接在这两条线上，I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的

SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序的

 为什么I2C需要使用上拉电阻？

答：总线空闲的时候，SDA和SCL都是高电平。当其中一个设备拉低总线，整条线就全是低电平，器件与器件之间变为"与"关系。

为了避免总线信号收到从设备的干扰，各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出，即高阻态，无法主动输出高电平，需要外部上拉电阻才可以获得高电平。

I2C特点

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。

• IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
• IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
• IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
• 支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ), 快速（最高400kHZ）,比uart高，比spi低
• SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。
• IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信，IIC协议首先是发送从机硬件地址，然后发送命令，再发送数据/寄存器编号或者读取数据。IIC协议可以多字节连续读写数据。
• 各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。

时序图分析

起始信号与终止信号

1. SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；
2. SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号；
3. 起始和终止信号都是由主机发出，起始信号产生后，总线就处于占用的态；
4. 终止信号产生后，总线就处于空闲态。
    

数据传输时序

1. I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定; 只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
2. 在时钟为低电平期间，发送器向数据线上写入数据，因此数据线上的数据运行变化； 在时钟为高电平期间，接收器从数据线上读取数据，因此必须保持数据线上的数据稳定。
3. 最终完成一个时钟周期内，发送器发生一个bit位数据，接收器接收一个bit位数据。

字节传输和应答信号·

1. 每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。
2. 在第9个时钟周期的低电平期间，接收器向数据线上写入数据。
3. 在第9个时钟周期的高电平期间，发送器从数据线上读取数据。
4. 如果读到的是低电平信号，表示应答信号。
5. 如果读到的是高电平信号，表示非应答信号。

I2C寻址

1. I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。
2. 主机在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/W），用“0”表示主机发送数据（W），“1”表示主机接收数据（R）。
3. 总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己被主机寻址，根据R/W位将自己定为发送器或接收器。

主机给从机发送一个字节

主机给从机发送多个字节

主机从从机接收一个字节

主机从从机接收多个字节

I2C寄存器

I2C_RXDR（I2C 接收数据寄存器）

• 位 31:8 保留，必须保持复位值。
• 位 7:0 RXDATA[7:0]：8 位接收数据 (8-bit receive data) 从 I2C 总线接收的数据字节

I2C_TXDR（I2C 发送数据寄存器）

• 位 31:8 保留，必须保持复位值。
• 位 7:0 TXDATA[7:0]：8 位发送数据 (8-bit transmit data) 待发送到 I2C 总线的数据字节

温度传感器实验

模块简介

SHT20 温湿度传感器是一种数字式温湿度传感器，它采用超薄膜式湿度传感器和热敏电阻式温度传感器，在测量环境温度和湿度方面具有高精度和可靠性。

SHT20 传感器使用 I2C 总线接口进行数据通信，它能够快速、准确地测量环境的温度和相对湿度。

可知，该器件和主控单元采用IIC进行通信

可知，最小供电电压为2.1v,最大供电电压为3.6V，推荐供电电压为3.0V，符合单片机引脚供电范围，适配！

IIC通信引脚如图

SHT20通讯原理

起始和终止时序

SHT20 采用标准的 I2C 协议进行通讯，每个传输序列都以 Start 状态作为开始并以 Stop 状态作为结束。

启动传输状态： 当 SCL 为高电平时，SDA 由高电平转换为低电平：

停止传输状态： 当 SCL 高电平时，SDA 线上从低电平转换为高电平：

通信时序

IIC地址

开始传输后，随后先传输首字节包括 I2C 设备地址(7bit）和一个 SDA 方向位（R:1, W:0）。

一个时钟发送一个位，在第 8 个下降沿之后，通过拉低 SDA 引脚（ACK 位 为 0），只是传感器数据接收正常。

在发出测量命令之后（‘1110’‘0011’代表温度测量，‘1110’‘0101’代表相对湿度测量 ，这种为主机模式）， MCU 必须等待测量完成。

I2C相关命令

SHT20命令从上到下依次是：

触发温度测量(保持主机模式)

触发湿度测量(保持主机模式)

触发温度测量(非保持主机模式)

触发湿度测量(非保持主机模式)

写用户寄存器

读用户寄存器

复位

命令又分为hold与no hold两种模式。

其中hold master 和 no hold master 的意思就是，如果是hold，那么在测量过程中SHT20会主导并占用着IIC的总线，IIC总线上的其他设备无法占用，而no hold就是测量过程中SHT20不占用IIC总线，那其他设备也可以使用该数据线。

常用no hold master，但如果IIC总线上就SHT20一个设备，那么其实无所谓用哪一种。

hold master通信时序

此时序图表示的是SDA总线的状态，浅色代表当前总线控制权在主机手里，相应的数据就是主机发送的，深色代表当前总线控制权在SHT20传感器手里，相应的数据就是SHT20发送的。

刚开始主机发送起始标志，然后发送了7位IIC地址+1位写标志，表示要向当前地址模块发出指令，从机回复确认

主机发送指令代码，此处发送的是11100101，根据前面提供的指令表可知，此时发送的控制指令是在holdmaster模式下读取湿度，SHT20模块回复确认SHT20模块控制着SDA总线开始进入采样测量阶段,并在测量期间将时钟线SCL拉低，由于IIC要求高电平读取数据，所以主机在测量期间无法接收任何数据。

当测量完毕后，SHT20会释放掉时钟线，此时SCL线被上拉电阻拉高，主机可以读取数据，SHT20先发高8位，主机回复确认后，SHT20模块再发低8位数据，此时主机可发送NACK+P停止接收，也可回复ACK，SHT20模块会继续发送8位的CRC校验，主机收到后发送NACK+停止位结束当前通信。(图上是按照接收CRC校验来的)

可知上图共收到三个字节的数据，包含2个字节的湿度信息+1个字节的CRC校验

湿度信息：0110001101010010，共16位，但需要注意的是

最大的分辨率只有14位(数据最多能解析出14位来)，所以最后的两位不能算进去.

手册中说43、44着两位被用来表示状态信息，43是1表示当前测量的是湿度，是0的话表示当前测量的是温度，44位的0，目前还没有被分配用处

所以湿度数据最后两位必为10，温度必为00

这并不是说明我们需要把采集的16位数据当成14位数据来用，而是我们需要把最后两位给清0，也就是将（16位数据）& 0xFFFC（1111 1111 1111 1100），

所以最后的湿度数据是0110001101010000

no hold master通信时序

刚开始主机发送起始标志，然后发送了7位IIC地址+1位写标志，表示要向当前地址模块发出指令，从机回复确认。然后主机发送指令代码，此处发送的是11110101，根据前面提供的指令表可知，此时发送的控制指令是在no holdmaster模式下读取湿度，主机等待20us后发送停止标志，由于是no holdmaster，可见在测量阶段颜色为浅色，SHT20让出了SDA总线控制，这样在测量期间主机就可以和其他从机通信了。

然后主机可以选择一个时间向SHT20发送起始标志+地址+读指令 来读取数据，如果发送时SHT20还没有测量完毕则主机收不到SHT20的ACK，SHT20会是NACK,主机收到NACK后发送停止位，再过一段时间主机会继续向SHT20发送起始标志+地址+读指令 来读取数据，如果此时SHT20测量完毕，则会回复ACK,然后主机让出SDA总线控制权，SHT20发送湿度数据。

剩下的跟上面一样，SHT20先发高8位，主机回复确认后，SHT20模块再发低8位数据，此时主机可发送NACK+P停止接收，也可回复ACK，SHT20模块会继续发送8位的CRC校验，主机收到后发送NACK+停止位结束当前通信。(图上是按照接收CRC校验来的)

同样，此时我们需要把最后两位给清0，也就是将（16位数据）& 0xFFFC（1111 1111 1111 1100），

最后的湿度数据是0110001101010000

SHT20信号转换

湿度转换

温度转换

硬件IIC实验-SHT20读取实验

引脚定位

PB7——I2C1_SDA

PB6——I2C1_SCL

​​​​​​​cubeMX配置

驱动代码移植

重定向相关

#include<stdio.h>

int fputc(int ch, FILE * p)
{
		while(!(USART1->ISR & 1<<7));//等待TDR为空，即TXE置1，跳出while，然后往TDR中放数据
		USART1->TDR=ch;
}

程序编写

效果