物联网实战--入门篇之(五)嵌入式-IIC驱动(SHT30温湿度)
本文主要讲解模拟IIC驱动，以及结合SHT30温湿度传感器进行使用说明。
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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。
/*
================================================================================
描述 : IIC引脚初始化
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_GPIOInit(I2cDriverStruct *pDriver)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_scl;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(pDriver->port_scl, &GPIO_InitStruct);
pDriver->delay_time=IIC_DELAY_TIME;
}
/*
================================================================================
描述 : SDA设置成输入模式
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_SdaInMode(I2cDriverStruct *pDriver)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);
}
/*
================================================================================
描述 : SDA设置成输出模式
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_SdaOutMode(I2cDriverStruct *pDriver)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pDriver->pin_sda;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(pDriver->port_sda, &GPIO_InitStruct);
}
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。
/*
================================================================================
描述 : 起始信号
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_Start(I2cDriverStruct *pDriver)
{
SCL_1;
SDA_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
SDA_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
}
/*
================================================================================
描述 : 停止信号
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_Stop(I2cDriverStruct *pDriver)
{
SDA_0;
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
SDA_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_0;
}
/*
================================================================================
描述 : 应答
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_Ack(I2cDriverStruct *pDriver)
{
SDA_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
SDA_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
}
/*
================================================================================
描述 : 非应答
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_NAck(I2cDriverStruct *pDriver)
{
SCL_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
SDA_1;
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
}
/*
================================================================================
描述 : 等待回复
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
bool IIC_WaitAck(I2cDriverStruct *pDriver)
{
u32 wait_tickets=0;
SCL_0;
IIC_SdaInMode(pDriver);
delay_us(pDriver->delay_time);
while(SDA_READ()>0)
{
wait_tickets++;
if(wait_tickets>250)
{
IIC_SdaOutMode(pDriver);
delay_us(pDriver->delay_time);
IIC_Stop(pDriver);
return false;
}
delay_us(1);
}
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
IIC_SdaOutMode(pDriver);
return true;
}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。
/*
================================================================================
描述 : 读取一个字节
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
u8 IIC_ReadByte(I2cDriverStruct *pDriver)
{
u8 i, data=0;
IIC_SdaInMode(pDriver);
for(i=0;i<8;i++)
{
SCL_0;
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
data=data<<1;//左移，高位先读取
if(SDA_READ()>0)
{
data|=0x01;
}
}
SCL_0;
IIC_SdaOutMode(pDriver);
delay_us(pDriver->delay_time);
return data;
}
/*
================================================================================
描述 : 写入一个字节
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void IIC_WriteByte(I2cDriverStruct *pDriver, u8 data)
{
u8 i;
for(i=0;i<8;i++)
{
SCL_0;
if(data&0x80)//高位先写
{
SDA_1;
}
else
{
SDA_0;
}
delay_us(pDriver->delay_time);
SCL_1;
delay_us(pDriver->delay_time);
data=data<<1;
}
}
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。
/*
================================================================================
描述 : 器件引脚初始化
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void drv_sht30_init(Sht30WorkStruct *pSht30Work)
{
IIC_GPIOInit(&pSht30Work->tag_iic);
pSht30Work->dev_addr=0x44;//默认器件地址
}
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。
/*
================================================================================
描述 : 读取温湿度数据
输入 :
输出 :
================================================================================
*/
void drv_sht30_read_th(Sht30WorkStruct *pSht30Work)
{
u16 reg_addr=0x2C06;//温湿度的寄存器地址,由数据手册得来
u8 dev_addr=pSht30Work->dev_addr;
I2cDriverStruct *pIIC=&pSht30Work->tag_iic;
IIC_Start(pIIC);
IIC_WriteByte(pIIC, dev_addr<<1|0x00);//准备写入寄存器地址
IIC_WaitAck(pIIC);
IIC_WriteByte(pIIC, reg_addr>>8);//写入寄存器地址高8位
IIC_WaitAck(pIIC);
IIC_WriteByte(pIIC, reg_addr&0xFF);//写入寄存器地址低8位
IIC_WaitAck(pIIC);
IIC_Stop(pIIC);
delay_ms(20);//这个延时要稍微长点20ms以上
IIC_Start(pIIC);
IIC_WriteByte(pIIC, dev_addr<<1|0x01);//准备读取数据
IIC_WaitAck(pIIC);
u8 buff[10]={0};
for(u8 i=0; i<6; i++)//读取温湿度和校验值状态
{
buff[i]=IIC_ReadByte(pIIC);
if(i<5)IIC_Ack(pIIC);
else IIC_NAck(pIIC);
}
IIC_Stop(pIIC);
u16 temp=buff[0]<<8|buff[1];//温度寄存器值
u16 humi=buff[3]<<8|buff[4];//湿度寄存器值
pSht30Work->temp_value=175.f*(float)temp/65535.f-45.f ;//转换成温度-℃
pSht30Work->humi_value=100.f*(float)humi/65535.f;//转换为湿度-%
printf("temp=%.1f C, humi=%.1f%%\n", pSht30Work->temp_value, pSht30Work->humi_value);
}
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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