二十四、 IIC实验
以SHT20温湿度传感器作为实验案例。通过软件IIC的方式与其进行通信，获取周围环境的温度与湿度状况。
1. 实验介绍
SHT20是一种数字式温湿度传感器，它采用电容式测量技术，具有高准确度和稳定性，并采用标准的I2C数字接口进行通信。SHT20的测量范围涵盖了温度-40到+125°C和相对湿度0到100%RH。它广泛应用于空气质量监测、气象监测、恒温恒湿控制、食品贮藏等领域。
SHT20温湿度传感器的相关参数，见下图：
1.1 硬件连接
接线图：
2. 软件I2C配置
一般使用软件I2C功能，都需要有以下几个步骤。
- 配置引脚
- 配置I2C时序
- 确定通信步骤
2.1 配置引脚
在使用软件实现I2C通信时，需要选择合适的引脚来作为数据线（SDA）和时钟线（SCL）。通常情况下，可以选择任何可编程的通用输入输出（GPIO）引脚作为软件I2C的引脚。对于软件I2C，需要至少两个引脚用于数据线（SDA）和时钟线（SCL），并确保这些引脚能够满足I2C通信协议的时序要求。以下是一般的引脚说明：
- 数据线（SDA）：用于传输数据的引脚。在软件I2C中，需要将该引脚设置为输出模式（用于主设备发送数据）与输入模式（用于主设备接收数据）。在通信期间，需要通过控制数据线的电平变化来实现数据的传输。
- 时钟线（SCL）：用于控制数据传输的时钟信号的引脚。在软件I2C中，需要将该引脚设置为输出模式，通过控制时钟线的电平变化来生成时钟脉冲，以控制数据线的传输。
需要注意的是，选取合适的引脚时要考虑以下几个方面：
- 支持输入/输出配置：引脚需要支持在软件中配置为输入或输出模式，并能够通过程序动态地进行切换。
- 硬件限制和冲突：确保选取的引脚没有被分配给其他硬件功能或外设，以避免冲突。
- 电气特性：引脚的电气特性应满足I2C总线的标准要求，例如正确的电平和驱动能力。
需要注意的是，软件I2C的实现需要更多的程序代码和计算，相对于硬件I2C，软件I2C在处理器效能和时序控制方面更加敏感。因此，在选择引脚时，还需要考虑处理器的性能和可编程性能。
为了保证代码的可维护性和可移植性，这里将相关的功能进行的宏定义。
SDA引脚和SCL引脚的宏定义如下：
c
/*
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*/
#ifndef __BSP_SHT20_H__
#define __BSP_SHT20_H__
#include "hc32_ll.h"
#define PORT_SCL GPIO_PORT_B
#define GPIO_SCL GPIO_PIN_06
#define PORT_SDA GPIO_PORT_B
#define GPIO_SDA GPIO_PIN_07
#define SDA_IN() {\
stc_gpio_init_t stcGpioInit;\
(void)GPIO_StructInit(&stcGpioInit);\
stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET;\
stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_IN;\
stcGpioInit.u16PinDrv = PIN_HIGH_DRV;\
stcGpioInit.u16PinAttr = PIN_ATTR_DIGITAL;\
stcGpioInit.u16Latch = PIN_LATCH_OFF;\
stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON;\
stcGpioInit.u16Invert = PIN_INVT_OFF;\
stcGpioInit.u16ExtInt = PIN_EXTINT_OFF;\
stcGpioInit.u16PinOutputType = PIN_OUT_TYPE_NMOS;\
stcGpioInit.u16PinInputType = PIN_IN_TYPE_SMT;\
(void)GPIO_Init(PORT_SDA, GPIO_SDA, &stcGpioInit);\
}
#define SDA_OUT() {\
stc_gpio_init_t stcGpioInit;\
(void)GPIO_StructInit(&stcGpioInit);\
stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET;\
stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_OUT;\
stcGpioInit.u16PinDrv = PIN_HIGH_DRV;\
stcGpioInit.u16PinAttr = PIN_ATTR_DIGITAL;\
stcGpioInit.u16Latch = PIN_LATCH_OFF;\
stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON;\
stcGpioInit.u16Invert = PIN_INVT_OFF;\
stcGpioInit.u16ExtInt = PIN_EXTINT_OFF;\
stcGpioInit.u16PinOutputType = PIN_OUT_TYPE_NMOS;\
stcGpioInit.u16PinInputType = PIN_IN_TYPE_SMT;\
(void)GPIO_Init(PORT_SDA, GPIO_SDA, &stcGpioInit);\
}
#define SCL(BIT) ( BIT ? GPIO_SetPins(PORT_SCL,GPIO_SCL) : GPIO_ResetPins(PORT_SCL,GPIO_SCL) )
#define SDA(BIT) ( BIT ? GPIO_SetPins(PORT_SDA,GPIO_SDA) : GPIO_ResetPins(PORT_SDA,GPIO_SDA) )
#define SDA_GET() GPIO_ReadInputPins(PORT_SDA, GPIO_SDA)
void SHT20_GPIO_INIT(void);
float SHT20_Read(unsigned char regaddr);
#endif1
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要操作 GPIO 引脚，必不可少的就是开启时钟、配置模式、配置输出、设置功能等，还是这一系列的操作。
引脚初始化配置如下：
c
void SHT20_GPIO_INIT(void)
{
stc_gpio_init_t stcGpioInit; // 定义GPIO结构体
// 关闭寄存器写保护
LL_PERIPH_WE(LL_PERIPH_ALL);
(void)GPIO_StructInit(&stcGpioInit);
stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET; // 状态选择高电平
stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_OUT; // 输出模式
stcGpioInit.u16PinDrv = PIN_HIGH_DRV; // 选择高驱动力
stcGpioInit.u16PinAttr = PIN_ATTR_DIGITAL; // 数字模式
stcGpioInit.u16Latch = PIN_LATCH_OFF; // 锁存器关闭
stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON; // 上拉开启
stcGpioInit.u16Invert = PIN_INVT_OFF; // 高低电平反转关闭
stcGpioInit.u16ExtInt = PIN_EXTINT_OFF; // 中断关闭
stcGpioInit.u16PinOutputType = PIN_OUT_TYPE_NMOS; // 开漏输出
stcGpioInit.u16PinInputType = PIN_IN_TYPE_SMT;
// 初始化SCL引脚
(void)GPIO_Init(GPIO_PORT_B, GPIO_PIN_06, &stcGpioInit);
// 初始化SDA引脚
(void)GPIO_Init(GPIO_PORT_B, GPIO_PIN_07, &stcGpioInit);
}1
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2.2 配置I2C时序
关于I2C的时序部分，已在章节【IIC数据传输】进行说明，这里不在进行叙述。
c
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Start
- 函 数 说 明：IIC起始信号
- 函 数 形 参：无
- 函 数 返 回：无
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(1);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(0);
delay_us(5);
SCL(0);
delay_us(5);
}
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Stop
- 函 数 说 明：IIC停止信号
- 函 数 形 参：无
- 函 数 返 回：无
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(1);
delay_us(5);
}
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Send_Ack
- 函 数 说 明：主机发送应答
- 函 数 形 参：0应答 1非应答
- 函 数 返 回：无
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
void IIC_Send_Ack(uint8_t ack)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
delay_us(5);
if(!ack) SDA(0);
else SDA(1);
SCL(1);
delay_us(5);
SCL(0);
SDA(1);
}
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Wait_Ack
- 函 数 说 明：等待从机应答
- 函 数 形 参：无
- 函 数 返 回：1=无应答 0=有应答
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
char ack = 0;
unsigned char ack_flag = 10;
SDA_IN();
SDA(1);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) )
{
ack_flag--;
delay_us(5);
}
if( ack_flag <= 0 )
{
IIC_Stop();
return 1;
}
else
{
SCL(0);
SDA_OUT();
}
return ack;
}
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Write
- 函 数 说 明：IIC写一个字节
- 函 数 形 参：dat写入的数据
- 函 数 返 回：无
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
void IIC_Write(uint8_t data)
{
int i = 0;
SDA_OUT();
SCL(0);//拉低时钟开始数据传输
for( i = 0; i < 8; i++ )
{
SDA( (data & 0x80) >> 7 );
delay_us(2);
data<<=1;
delay_us(6);
SCL(1);
delay_us(4);
SCL(0);
delay_us(4);
}
}
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：IIC_Read
- 函 数 说 明：IIC读1个字节
- 函 数 形 参：无
- 函 数 返 回：读出的1个字节数据
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
uint8_t IIC_Read(void)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
SCL(0);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
receive<<=1;
if( SDA_GET() )
{
receive|=1;
}
delay_us(5);
}
return receive;
}1
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2.3 确定通信步骤
我们要实现的是通过案例SHT20温湿度传感器读取周围环境的温湿度情况。要进行I2C通信，需要知道其器件地址。并且了解如何与其进行通信。
SHT20温湿度传感器的I2C地址为0x80。I2C地址是一个用于在总线上识别设备的7位地址。对于SHT20传感器，其地址的最高7位已经预设为固定值0b1000_000（0b代表二进制）。最低一位用于标识读操作或写操作，读操作为1，写操作为0。因此，SHT20的I2C地址在写操作时可以表示为0b1000_0000（0x80），读操作时表示为0b1000_0001（0x81）。
测量命令
SHT20有两种测量模式可以选择，分别是主机模式与非主机模式。在主机模式下，在测量的过程中，SCL线被封锁（由传感器进行控制），我们作为主机无法操控I2C总线；在非主机模式下，当传感器在执行测量任务时，SCL线仍然保持开放状态，可进行其他通讯。非主机模式允许传感器进行测量时在总线上处理其他I2C总线通讯任务。
而在两种模式下，触发测量的命令也不相同，例如在主机模式下测量温度命令为0b1110_0011，即0xe3；在非主机模式下测量温度命令为0b1111_0011，即0xf3。
本案例使用的是非主机模式，故后续的测量温度和湿度命令为0b1111_0011（0xf3）和0b1111_0101（0xf5）。
通信案例
在SHT20的数据手册中，有相关使用流程，因为本案例是使用非主机模式，故只说明非主机模式下的使用流程，关于主机模式的使用流程，可以查阅SHT20的数据手册。
在非主机模式下，MCU需要对传感器状态进行查询。此过程通过发送一个I2C起始信号，告诉总线开始通信。然后发送器件地址+写操作（0x80,对应图2-3-3中的bit1~bit8），等待传感器应答。如果传感器没有应答，请注意设备的实物连线情况是否正确。待传感器应答之后发送对应的命令（对应图2-3-3中的bit10~bit17），具体命令见【图2-3-2 命令集说明】。
之后紧接着是如图2-3-3所示的IC首字节(0b1000_0001）来完成。如果内部处理工作完成，单片机查询到传感器发出的确认信号后，相关数据就可以通过MCU进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器无确认位(ACK）输出，此时必须重新发送启动传输时序。
无论哪种传输模式，由于测量的最大分辨率为14位，第二个字节SDA上的后两位LSBs( bit43和44）用来传输相关的状态信息。两个LSBs 中的bit1表明测量的类型('0'：温度;‘1'：湿度）。bit0位当前没有赋值即无意义。
读取温湿度配置
根据数据手册中的通信案例，我们可以验证实现读取温湿度功能。我们以读取非主机模式的温度为例。
- 根据 【非主机模式通信流程】 所示，在开始通信之前，我们需要发送起始信号S和器件地址+写（图中的bit1~bit8）,发送完成之后，等待从机应答。
c
IIC_Start();//发送起始信号
IIC_Send_Byte(0X80);//发送器件地址加写
//如果返回非应答，则串口提示失败-1
if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("receive fail -1\r\n");1
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- 发送对应的命令（对应图2-3-3中的bit10~bit17），具体命令见【命令集说明】，本案例发送的是测量温度命令，对应代码中的0xf3。发送完成后，等待从机应答，确定发送成功。
c
IIC_Send_Byte(0Xf3);//发送非主机模式读取温度命令
//如果返回非应答，则串口提示失败-2
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
{
printf("receive fail -2\r\n");
}1
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- 重新发送起始信号与器件地址加读0X81(对应图中的bit19~bit26），告诉传感器要开始读取温度数据。传感器接收到后，就开始采集工作。如果传感器内部处理工作完成，单片机查询到传感器发出的确认信号ACK（bit27）后，相关数据就可以通过MCU进行读取。如果测量处理工作没有完成，传感器输出非应答位NACK（bit27），此时必须重新发送启动传输时序。
c
//发送起始信号与器件地址+读
do
{
delay_us(10);//等待传感器采集
IIC_Start(); //起始信号
IIC_Send_Byte(0X81);//器件地址+读
} //如果返回非应答信号，则重复发送起始信号和器件地址+读
while( IIC_Wait_Ack() == 1 ); //等待应答1
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- 接收传感器输出的数据高8位和低8位。代码中的变量data_msb、data_lsb和check分别代表数据高8位、数据低8位、校验数据。
c
data_msb = IIC_Read_Byte();//读取第一个字节
IIC_Send_Ack(); //发送应答
data_lsb = IIC_Read_Byte();//读取第二个字节
IIC_Send_Ack(); //发送应答
check = IIC_Read_Byte(); //读取第三个字节
IIC_Send_Nack(); //发送非应答
IIC_Stop(); //发送停止信号1
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- 将接收到的数据进行整合为16位数据，并且根据数据手册的要求，将最后两位的状态位清零。即低8位的最后两位状态位清零。Dat为16位的变量。
c
//数据整合
dat = data_msb<<8; //整合高8位
dat = dat | data_lsb;//整合低8位
dat &= ~(0x03); //将最后两位状态位清除6. 数据换算。根据数据手册换算出实际的温度数据。1
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- 数据换算。根据数据手册换算出实际的温度数据。 相对湿度的转换公式为：
温度的转换公式为：
其中的 S(T)和S(RH )表示的是传感器输出的高低位整合后的16位数据。
c
//数据换算
//temp为浮点型变量，2的16次方为65536
temp = ( dat / 65536.0 ) \* 175.72 - 46.85;1
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将以上步骤的代码进行整合封装，并添加获取湿度部分，得到以下函数。
c
/********************************\*\*********************************
- 函 数 名 称：SHT20_Read
- 函 数 说 明：测量温湿度
- 函 数 形 参：regaddr寄存器地址 regaddr=0xf3测量温度 =0xf5测量湿度
- 函 数 返 回：regaddr=0xf3时返回温度，regaddr=0xf5时返回湿度
- 作 者：LC
- 备 注：无
********************************\*\*********************************/
float SHT20_Read(uint8_t regaddr)
{
unsigned char data_H = 0;
unsigned char data_L = 0;
float temp = 0;
IIC_Start();
IIC_Write(0x80|0);
if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("error -1\r\n");
IIC_Write(regaddr);
if( IIC_Wait_Ack() == 1 ) printf("error -2\r\n");
do{
delay_us(10);
IIC_Start();
IIC_Write(0x80|1);
}while( IIC_Wait_Ack() == 1 );
delay_us(20);
data_H = IIC_Read();
IIC_Send_Ack(0);
data_L = IIC_Read();
IIC_Send_Ack(1);
IIC_Stop();
if( regaddr == 0xf3 )
{
temp = ((data_H<<8)|data_L) / 65536.0 * 175.72 - 46.85;
}
if( regaddr == 0xf5 )
{
temp = ((data_H<<8)|data_L) / 65536.0 * 125.0 - 6;
}
return temp;
}1
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3. 软件I2C验证
在main.c中调用SHT20_Read函数，采集周围环境的温湿度。
c
/*
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* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-04-11 LCKFB-LP first version
*/
#include "board.h"
#include "bsp_uart.h"
#include <stdio.h>
#include "bsp_sht20.h"
int32_t main(void)
{
board_init();
uart1_init(115200U);
//引脚初始化
SHT20_GPIO_INIT();
//等待传感器上电初始化完成
delay_ms(20);
while(1)
{
//采集温度
printf("temp = %.2f\r\n", SHT20_Read(0xf3) );
//采集湿度
printf("humi = %.2f\r\n", SHT20_Read(0xf5) );
printf("\r\n");
delay_ms(500);
}
}1
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串口输出结果：