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2019年04月08日 | STM32F103RC硬件I2C从入坑到出坑
2019-04-08 来源：eefocus
第一天
手上有啥资源可利用的？
1.一块MPU6050
2.一块stm32f103rc最小系统版，上面移植了ucos3，跑了几个任务，包括一个LCD任务（优先级最低）
3.st的固件库
4.ALIENTEK的MPU6050例程
5.stm32各种数据手册文档，ucos各种资料
好，开工。
先阅读stm32数据手册了解研究I2C模块原理架构，懵懵懂懂，若有所知的样子，行了不看了。
然后看看ALIENTEK的MPU6050例程。咦？怎么是用软件模拟I2C？stm32集成了I2C控制器都不用，这么浪费，不看了。。。还是再看一下，看看MPU6050大致是怎么操作的。大概就是有个设备地址0x68，有很多寄存器，数据通信通的就是寄存器的数据，每次传输数据都是先发设备地址0x68，然后发寄存器地址，最后收/发数据。
然后复制ALIENTEK例程中操作MPU6050的代码，改写里面所有的函数，用库函数操作STM32硬件I2C重新编制I2C的通信流程。打码完成，测试一下，果然不行。用fprintf打印信息到串口看看吧（没调试器，穷得只剩串口板）。然后开始艰辛的探索（省略一万字）。。。。。。
经过串口打印信息、查阅资料、网上搜索，终于成功改写ALIENTEK例程中的MPU_Write_Byte(INT08U reg, INT08U data) 函数如下，
INT08U MPU_Write_Byte(INT08U reg, INT08U data)
{
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
I2C_Send7bitAddress(I2C1, (MPU6050_ADDR<<1), I2C_Direction_Transmitter);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
I2C_SendData(I2C1, reg);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
I2C_SendData(I2C1, data);
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
return 1;
}
遇到的主要问题有：
1.设备地址0x68要左移一位，然后后面补上读写位，读是1，写是0。注意，不是0x68+1(或+0)，而是(0x68<<1)|0x01(或0x00)，也就是0xd1是从MPU6050读数据，发0xd0是向MPU6050写数据。
2.**严格按照st的例程给出的通信流程来编码。**网上各种说stm32硬件I2C有问题，好吧可能是有点问题，但是对于我等渣渣是完全不会遇到的，有问题都是自己的问题。严格按照st的例程来，绝对没问题。不要自己想当然的去编码，也不要觉得自己写的代码跟st的例程中的代码是等效的就坚信自己是对的。我参考的是st的EEPROM的那个例程。
然后改写了MPU_Read_Byte(INT08U reg)函数，OK。
就差MPU_Read_Len(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *buf)这条函数就可以读MPU6050的数据了。改完，测试一下，果然不行。果断每行代码后面插一条fprintf。测试一下，电脑蓝屏。重启，测试一下，电脑蓝屏。。。OMG！！！唉12点了躺床吃鸡睡觉。
第二天
开电脑，测试一下，电脑蓝屏。。。唉还搞什么，放弃吧。。。去掉fprintf看看，不蓝屏，可是我怎么调试程序能？（没调试器，只能靠串口板打印信息）网上搜索一下。。。苦思冥想。。。（省略一万字）
终于，改好了！！！代码如下，
INT08U MPU_Read_Len(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *buf)
{
INT08U rlen = 0;
CPU_SR_ALLOC();
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
I2C_Send7bitAddress(I2C1, (addr<<1), I2C_Direction_Transmitter);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
I2C_SendData(I2C1, reg);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
I2C_Send7bitAddress(I2C1, (addr<<1), I2C_Direction_Receiver);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_7);
OS_CRITICAL_ENTER();
for(rlen = 0; rlen < len; rlen++)
{
if(len == 1+rlen)
{
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
(void)I2C1->SR2;
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
*buf = I2C_ReceiveData(I2C1);
buf++;
}
OS_CRITICAL_EXIT();
return rlen;
}
遇到的主要问题是：
1.接收数据的时候SDA要输出高电平！！！（3个感叹号代表重要的事情说3遍）stm32的SDA脚已选择了GPIO_Mode_AF_OD模拟开漏输出，MPU6050模块的SDA已外接了上拉电阻。如果stm32的SDA输出低电平，那么SDA就拉不高了。
2.网上看到有种做法是
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
(void)I2C1->SR2;
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
这3句要连着写，一是必须读SR2寄存器才能完成某些清寄存器标志的操作（看数据手册），这确实是是stm32做的坑，但不能说它有问题，反正正确流程是怎样就怎样，按正确流程来编码。
3.接收数据阶段我就用OS_CRITICAL_ENTER();关中断好了，保证I2C时序正确，保险一点。（其实这样理解也不对，应该整个I2C通信时序都有因为被打断而发生故障的风险，关键是在哪些地方可以被打断（如等待某些标志位置位的时候），哪些地方一定不能被打断（如等到了某事件后要读写寄存器时））
测试一下，串口打印出加速度、陀螺仪、温度等数据，OK，收工。
咦？怎么LCD显示一卡一卡的。看来I2C读数据太耗时了，还阻止了任务切换。改写一下MPU_Read_Len(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *buf)函数吧。把它里面的等待标志位置位的那些while循环，改为pend一个信号量，标志位置位触发中断后再post一个信号量，等待交给中断来做，期间把CPU让给其他任务。
编码编码编码。。。又到12点了，躺床吃鸡睡觉。
第三天
一觉睡到中午饭，下午继续躺床吃鸡睡觉。晚饭后才编码完成，代码如下，
INT08U MPU6050_Read(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *buf)
{
OS_ERR err;
CPU_TS ts;
CPU_SR_ALLOC();
INT08U rlen = 0;
INT16U I2CTimeout;
I2CReadState = I2C_CHECK_BUSY;
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_ERR, ENABLE);
while(I2C_READ_END > I2CReadState)
{
switch(I2CReadState)
{
case I2C_CHECK_BUSY:
I2CTimeout = I2C_TIMEOUT*((INT16U)(SystemCoreClock/1000000));
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)&&(I2CTimeout--));
if(0 == I2CTimeout) delay_ms(fac_ms);
else
{
CPU_CRITICAL_ENTER();
if(I2C_CHECK_BUSY == I2CReadState) I2CReadState = I2C_SEND_START;//I2C bus is not busy
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
}
break;
case I2C_SEND_START:
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE == err) && (I2C_SEND_START == I2CReadState)) I2CReadState = I2C_SEND_ADDR_SEND;
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
break;
case I2C_SEND_ADDR_SEND:
I2C_Send7bitAddress(I2C1, (addr<<1), I2C_Direction_Transmitter);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE == err) && (I2C_SEND_ADDR_SEND == I2CReadState)) I2CReadState = I2C_SELECT_REG;
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
break;
case I2C_SELECT_REG:
I2C_SendData(I2C1, reg);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE == err) && (I2C_SELECT_REG == I2CReadState)) I2CReadState = I2C_CHECK_BUSY_AGAIN;
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
break;
case I2C_CHECK_BUSY_AGAIN:
I2CTimeout = I2C_TIMEOUT*((INT16U)(SystemCoreClock/1000000));
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)&&(I2CTimeout--));
if(0 == I2CTimeout) delay_ms(fac_ms);
else
{
CPU_CRITICAL_ENTER();
if(I2C_CHECK_BUSY_AGAIN == I2CReadState) I2CReadState = I2C_SEND_START_AGAIN;//I2C bus is not busy
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
}
break;
case I2C_SEND_START_AGAIN:
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE == err) && (I2C_SEND_START_AGAIN == I2CReadState)) I2CReadState = I2C_SEND_ADDR_RECV;
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
break;
case I2C_SEND_ADDR_RECV:
I2C_Send7bitAddress(I2C1, (addr<<1), I2C_Direction_Receiver);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE == err) && (I2C_SEND_ADDR_RECV == I2CReadState)) I2CReadState = I2C_RECV_DATA;
else I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_7);
break;
case I2C_RECV_DATA:
if(len == 1+rlen)
{
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
(void)I2C1->SR2;
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT, ENABLE);
OSSemPend(&MPU6050_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
CPU_CRITICAL_ENTER();
if((OS_ERR_NONE != err) || (I2C_RECV_DATA != I2CReadState)) I2CReadState = I2C_READ_END;
CPU_CRITICAL_EXIT();
*buf = I2C_ReceiveData(I2C1);
buf++;
rlen++;
if(len == rlen) I2CReadState = I2C_READ_END;
break;
default:
break;
}
}
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_ERR, DISABLE);
return rlen;
}
里面的delay_ms函数在延时时间超过OS时间片时间时可以引起任务切换。
测试一下，OK，串口输出数据，收工。
咦?怎么LCD卡住完全了。研究一下。原来如此：
我获取MPU6050数据的任务代码如下，
while(1)
{
while(0 < sendmpudata)
{
sendmpudata–;
MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);
fprintf(UART_OUT, "ax:%5d, ay:%5d, az:%5d ", aacx, aacy, aacz);
res=MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);
fprintf(UART_OUT, "gx:%5d, gy:%5d, gz:%5d ", gyrox, gyroy, gyroz);
temp=MPU_Get_Temperature();
fprintf(UART_OUT, “temp:%5dnn”, temp);
}
}
sendmpudata是在OS的定时器中递增的，用来定时一段时间就从MPU6050收数据然后发到串口上。问题是当sendmpudata=0时也就是还没到时间去收发MPU6050数据时，当前任务还在while(1)中跑，没有把CPU让给低优先级的LCD任务。于是我在while(0 < sendmpudata)前面插一条pend等待一个信号量。测试一下，LCD不卡，OK，收工。
不是说I2C通信流程要严格按照st的例程，不要打断吗？其实，当你理解这整个流程，就会很容易地把握哪些地方可以被打断，切换到其它任务，让I2C真正地融入多任务系统中。
突然发现，干嘛要搞那么复杂！！！耗时的步骤都交给中断来做，剩下在任务级完成的步骤不就是读写一下DR寄存器吗？把剩下这些极其简单的步骤也交给中断处理函数来做也可以啊，那任务里面就只需pend等待一个信号量，等中断处理函数处理完I2C通信流程post释放出一个信号量，任务级读写I2C数据函数就可以返回了。再改改代码。。。又到12点了，躺床吃鸡睡觉。
第四天
廿二八洗邋遢，晚上继续改代码。改完如下，
INT08U I2C_Process(INT08U direction, INT08U addr, INT08U len, INT08U *pbuf)
{
OS_ERR err;
CPU_TS ts;
INT08U res;
INT16U I2CTimeout;
I2CDirection = direction;
I2CStage = I2C_DETECT_START;
I2CError = I2C_SUCCESS;
I2CAddress = addr;
I2CLength = len;
pI2CBuffer = pbuf;
I2CIndex = 0;
I2CTimeout = I2C_TIMEOUT*((INT16U)(SystemCoreClock/1000000));
while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)&&(I2CTimeout--));
if(0 < I2CTimeout)
{
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT|I2C_IT_ERR, ENABLE);
OSSemPend(&I2C_SEM, I2C_TIMEOUT*fac_us, OS_OPT_PEND_BLOCKING, &ts, &err);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_EVT|I2C_IT_ERR, DISABLE);
if(OS_ERR_NONE == err) res = I2C_SUCCESS;
else if(OS_ERR_TIMEOUT == err)
{
if(OS_ERR_NONE == I2CError) res = I2C_OS_TIMEOUT;
else res = I2CError;
}
else res = I2C_OS_ERROR;
}
else res = I2C_HW_BUSY;
return res;
}
static INT08U MPU6050_Write(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *pbuf)
{
INT08U buf[MPU6050_WRITE_MAX], i, res;
buf[0] = reg;
for(i = 0; i < len; i++) buf[i+1] = pbuf[i];
res = I2C_Process(I2C_SEND, addr, len+1, buf);
return res;
}
static INT08U MPU6050_Read(INT08U addr, INT08U reg, INT08U len, INT08U *pbuf)
{
INT08U res;
res = I2C_Process(I2C_SEND, addr, 1, ®);
if(I2C_SUCCESS == res) res = I2C_Process(I2C_RECV, addr, len, pbuf);
return res;
}
void I2C1_EV_IRQHandler(void)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
CPU_CRITICAL_ENTER();
OSIntEnter();
CPU_CRITICAL_EXIT();
switch(I2CStage)
{
case I2C_DETECT_START:
if(I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
{
if(I2C_SEND == I2CDirection) I2C_Send7bitAddress(I2C1, (I2CAddress<<1), I2C_Direction_Transmitter);
else I2C_Send7bitAddress(I2C1, (I2CAddress<<1), I2C_Direction_Receiver);
I2CStage = I2C_DETECT_ADDR;
}
break;
case I2C_DETECT_ADDR:
if(I2C_SEND == I2CDirection)
{
if(I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
{
I2C_SendData(I2C1, *pI2CBuffer);
pI2CBuffer++;
I2CIndex++;
if(I2CLength > I2CIndex) I2CStage = I2C_DETECT_DATA;
else
{
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
OSSemPost(&I2C_SEM, OS_OPT_POST_1, &err);
}
}
}
else
{
if(I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED))
{
if(I2CLength > I2CIndex+1) I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
else
{
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
(void)I2C1->SR2;
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_7);
I2CStage = I2C_DETECT_DATA;
}
}
break;
case I2C_DETECT_DATA:
if(I2C_SEND == I2CDirection)
{
if(I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
{
I2C_SendData(I2C1, *pI2CBuffer);
pI2CBuffer++;
I2CIndex++;
if(I2CLength <= I2CIndex)
{
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
OSSemPost(&I2C_SEM, OS_OPT_POST_1, &err);
}
}
}
else
{
if(I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED))
{
*pI2CBuffer = I2C_ReceiveData(I2C1);
pI2CBuffer++;
I2CIndex++;
if(I2CLength == I2CIndex+1)
{
I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
(void)I2C1->SR2;
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}
else if(I2CLength <= I2CIndex) OSSemPost(&I2C_SEM, OS_OPT_POST_1, &err);
else{}
}
}
break;
default:
break;
}
OSIntExit();
}
void I2C1_ER_IRQHandler(void)
{
if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_BERR)) I2CError = I2C_HW_BERR;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_ARLO)) I2CError = I2C_HW_ARLO;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_AF)) I2CError = I2C_HW_AF;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_OVR)) I2CError = I2C_HW_OVR;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_PECERR)) I2CError = I2C_HW_PECERR;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_TIMEOUT)) I2CError = I2C_HW_TIMEOUT;
else if(SET == I2C_GetITStatus(I2C1, I2C_IT_SMBALERT)) I2CError = I2C_HW_SMBALERT;
else{}
I2C_ClearITPendingBit(I2C1, I2C_IT_SMBALERT|I2C_IT_TIMEOUT|I2C_IT_PECERR|I2C_IT_OVR|I2C_IT_AF|I2C_IT_ARLO|I2C_IT_BERR);
I2C_ITConfig(I2C1, I2C_IT_ERR, DISABLE);
}
上面代码就是最终版本。主要思想是，STM32硬件I2C的读写数据流程大致相同，封装成一个函数，通过传入参数来区分读写，这是I2C层。向MPU6050写数据就是写寄存器地址、写数据。从MPU6050读数据就是写寄存器地址、读数据，分别封装成MPU6050读、写两个函数，供操作MPU6050的其他函数调用，这是MPU6050模块层。任务级调用操作MPU6050的函数，获取想要的数据，这是APP层。
效果如下，
上一篇:STM32的SPI接收卡死问题
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