I2C实验
參考：I2C 總線協議詳解
作者：一只青木呀
發布時間：2020-09-21 11:41:25
網址：https://blog.csdn.net/weixin_45309916/article/details/108705297
目錄
- I2C 簡介
- I2C 協議
- I2C協議有關術語
- 1、起始位
- 2、停止位
- 3、數據傳輸
- 4、應答信號
- 5、I2C 寫時序（主機向從機）
- 6、I2C 讀時序（主機向從機）
- 7、I2C 多字節讀寫時序
- I.MX6U I2C 簡介
- AP3216C 簡介
- 硬件原理分析
- 實驗程序編寫
- 編譯下載驗證
- 編寫Makefile 和鏈接腳本
- 編譯下載
I2C 是最常用的通信接口，眾多的傳感器都會提供I2C 接口來和主控相連，比如陀螺儀、加速度計、觸摸屏等等。所以I2C 是做嵌入式開發必須掌握的，I.MX6U 有4 個I2C 接口，可以通過這4 個I2C 接口來連接一些I2C 外設。I.MX6U-ALPHA 使用I2C1 接口連接了一個距離傳感器AP3216C，本章我們就來學習如何使用I.MX6U 的I2C 接口來驅動AP3216C，讀取AP3216C 的傳感器數據。
I2C 簡介
I2C 是很常見的一種總線協議， I2C 是 NXP 公司設計的， I2C 使用兩條線在主控制器和從機之間進行數據通信。一條是 SCL(串行時鐘線)，另外一條是 SDA(串行數據線)，這兩條數據線需要接上拉電阻，總線空閑的時候 SCL 和 SDA 處于高電平。 I2C 總線標準模式下速度可以達到 100Kb/S，快速模式下可以達到 400Kb/S。 I2C 總線工作是按照一定的協議來運行的，接下來就看一下 I2C 協議。
I2C 協議
I2C 是支持多從機的，也就是一個 I2C 控制器下可以掛多個 I2C 從設備，這些不同的 I2C從設備有不同的器件地址，這樣 I2C 主控制器就可以通過 I2C 設備的器件地址訪問指定的 I2C設備了，一個 I2C 總線連接多個 I2C 設備如下圖所示：
上圖中 SDA 和 SCL 這兩根線必須要接一個上拉電阻，一般是 4.7K。其余的 I2C 從器件都掛接到 SDA 和 SCL 這兩根線上，這樣就可以通過 SDA 和 SCL 這兩根線來訪問多個 I2C設備。
I2C協議有關術語
1、起始位
顧名思義，也就是 I2C 通信起始標志，通過這個起始位就可以告訴 I2C 從機，“我”要開始進行 I2C 通信了。在 SCL 為高電平的時候， SDA 出現下降沿就表示為起始位，如下圖所示：
2、停止位
停止位就是停止 I2C 通信的標志位，和起始位的功能相反。在 SCL 位高電平的時候， SDA出現上升沿就表示為停止位，如下圖所示：
3、數據傳輸
I2C 總線在數據傳輸的時候要保證在 SCL 高電平期間， SDA 上的數據穩定，因此 SDA 上的數據變化只能在 SCL 低電平期間發生，如下圖所示：
4、應答信號
當 I2C 主機發送完 8 位數據以后會將 SDA 設置為輸入狀態，等待 I2C 從機應答，也就是等到 I2C 從機告訴主機它接收到數據了。應答信號是由從機發出的，主機需要提供應答信號所需的時鐘，主機發送完 8 位數據以后緊跟著的一個時鐘信號就是給應答信號使用的。從機通過將 SDA 拉低來表示發出應答信號，表示通信成功，否則表示通信失敗。
5、I2C 寫時序（主機向從機）
主機通過 I2C 總線與從機之間進行通信不外乎兩個操作：寫和讀， I2C 總線單字節寫時序如下圖所示：
上圖就是 I2C 寫時序，我們來看一下寫時序的具體步驟：
- 1)、開始信號。
- 2)、發送 I2C 設備地址，每個 I2C 器件都有一個設備地址，通過發送具體的設備地址來決定訪問哪個 I2C 器件。這是一個 8 位的數據，其中高 7 位是設備地址，最后 1 位是讀寫位，為1 的話表示這是一個讀操作，為 0 的話表示這是一個寫操作。
- 3)、 I2C 器件地址后面跟著一個讀寫位，為 0 表示寫操作，為 1 表示讀操作。
- 4)、從機發送的 ACK 應答信號。
- 5)、重新發送開始信號。
- 6)、發送要寫寫入數據的寄存器地址。
- 7)、從機發送的 ACK 應答信號
- 8)、發送要寫入寄存器的數據。
- 9)、從機發送的 ACK 應答信號。
- 10)、停止信號。
6、I2C 讀時序（主機向從機）
I2C 總線單字節讀時序如下圖所示：
I2C 單字節讀時序比寫時序要復雜一點，讀時序分為 4 大步，第一步是發送設備地址，第二步是發送要讀取的寄存器地址，第三步重新發送設備地址，最后一步就是 I2C 從器件輸出要讀取的寄存器值，我們具體來看一下這步。
- 1)、主機發送起始信號。
- 2)、主機發送要讀取的 I2C 從設備地址。
- 3)、讀寫控制位，因為是向 I2C 從設備發送數據，因此是寫信號。
- 4)、從機發送的 ACK 應答信號。
- 5)、重新發送 START 信號。
- 6)、主機發送要讀取的寄存器地址。
- 7)、從機發送的 ACK 應答信號。
- 8)、重新發送 START 信號。
- 9)、重新發送要讀取的 I2C 從設備地址。
- 10)、讀寫控制位，這里是讀信號，表示接下來是從 I2C 從設備里面讀取數據。
- 11)、從機發送的 ACK 應答信號。
- 12)、從 I2C 器件里面讀取到的數據。
- 13)、主機發出 NO ACK 信號，表示讀取完成，不需要從機再發送 ACK 信號了。
- 14)、主機發出 STOP 信號，停止 I2C 通信。
7、I2C 多字節讀寫時序
有時候我們需要讀寫多個字節，多字節讀寫時序和單字節的基本一致，只是在讀寫數據的時候可以連續發送多個自己的數據，其他的控制時序都是和單字節一樣的。
I.MX6U I2C 簡介
I.MX6U 提供了4 個I2C 外設，通過這四個I2C 外設即可完成與I2C 從器件進行通信，I.MX6U 的I2C 外設特性如下：
①、與標準I2C 總線兼容。
②、多主機運行
③、軟件可編程的64 中不同的串行時鐘序列。
④、軟件可選擇的應答位。
⑤、開始/結束信號生成和檢測。
⑥、重復開始信號生成。
⑦、確認位生成。
⑧、總線忙檢測
I.MX6U 的I2C 支持兩種模式：標準模式和快速模式，標準模式下I2C 數據傳輸速率最高是100Kbits/s，在快速模式下數據傳輸速率最高為400Kbits/s。
我們接下來看一下I2C 的幾個重要的寄存器，首先看一下I2Cx_IADR(x=1~4)寄存器，這是I2C 的地址寄存器，此寄存器結構如圖26.1.2.1 所示：
寄存器I2Cx_IADR 只有ADR(bit7:1)位有效，用來保存I2C 從設備地址數據。當我們要訪問某個I2C 從設備的時候就需要將其設備地址寫入到ADR 里面。接下來看一下寄存器I2Cx_IFDR，這個是I2C 的分頻寄存器，寄存器結構如圖26.1.2.2 所示：
寄存器I2Cx_IFDR 也只有IC(bit5:0)這個位，用來設置I2C 的波特率，I2C 的時鐘源可以選擇IPG_CLK_ROOT=66MHz，通過設置IC 位既可以得到想要的I2C 波特率。IC 位可選的設置如圖26.1.2.3 所示：
不像其他外設的分頻設置一樣可以隨意設置，圖26.1.2.3 中列出了IC 的所有可選值。比如現在I2C 的時鐘源為66MHz，我們要設置I2C 的波特率為100KHz，那么IC 就可以設置為0X15，也就是640 分頻。66000000/640=103.125KHz≈100KHz。
接下來看一下寄存器I2Cx_I2CR，這個是I2C 控制寄存器，此寄存器結構如圖26.1.2.4 所示：
寄存器I2Cx_I2CR 的各位含義如下：
IEN(bit7)：I2C 使能位，為1 的時候使能I2C，為0 的時候關閉I2C。
IIEN(bit6)：I2C 中斷使能位，為1 的時候使能I2C 中斷，為0 的時候關閉I2C 中斷。
MSTA(bit5)：主從模式選擇位，設置IIC 工作在主模式還是從模式，為1 的時候工作在主模式，為0 的時候工作在從模式。
MTX(bit4)：傳輸方向選擇位，用來設置是進行發送還是接收，為0 的時候是接收，為1 的時候是發送。
TXAK(bit3)：傳輸應答位使能，為0 的話發送ACK 信號，為1 的話發送NO ACK 信號。
RSTA(bit2)：重復開始信號，為1 的話產生一個重新開始信號。
接下來看一下寄存器I2Cx_I2SR，這個是I2C 的狀態寄存器，寄存器結構如圖26.1.2.5 所示：
寄存器I2Cx_I2SR 的各位含義如下：
ICF(bit7)：數據傳輸狀態位，為0 的時候表示數據正在傳輸，為1 的時候表示數據傳輸完成。
IAAS(bit6)：當為1 的時候表示I2C 地址，也就是I2Cx_IADR 寄存器中的地址是從設備地址。
IBB(bit5)：I2C 總線忙標志位，當為0 的時候表示I2C 總線空閑，為1 的時候表示I2C 總線忙。
IAL(bit4)：仲裁丟失位，為1 的時候表示發生仲裁丟失。
SRW(bit2)：從機讀寫狀態位，當I2C 作為從機的時候使用，此位用來表明主機發送給從機的是讀還是寫命令。為0 的時候表示主機要向從機寫數據，為1 的時候表示主機要從從機讀取數據。
IIF(bit1)：I2C 中斷掛起標志位，當為1 的時候表示有中斷掛起，此位需要軟件清零。
RXAK(bit0)：應答信號標志位，為0 的時候表示接收到ACK 應答信號，為1 的話表示檢測到NO ACK 信號。
最后一個寄存器就是I2Cx_I2DR，這是I2C 的數據寄存器，此寄存器只有低8 位有效，當要發送數據的時候將要發送的數據寫入到此寄存器，如果要接收數據的話直接讀取此寄存器即可得到接收到的數據。
關于I2C 的寄存器就介紹到這里，關于這些寄存器詳細的描述，請參考《I.MX6ULL 參考手冊》第1462 頁的31.7 小節。
AP3216C 簡介
I.MX6U-ALPHA 開發板上通過I2C1 連接了一個三合一環境傳感器：AP3216C，AP3216C是由敦南科技推出的一款傳感器，其支持環境光強度(ALS)、接近距離(PS)和紅外線強度(IR)這三個環境參數檢測。該芯片可以通過IIC 接口與主控制相連，并且支持中斷，AP3216C 的特點如下：
①、I2C 接口，快速模式下波特率可以到400Kbit/S
②、多種工作模式選擇：ALS、PS+IR、ALS+PS+IR、PD 等等。
③、內建溫度補償電路。
④、寬工作溫度范圍(-30°C ~ +80°C)。
⑤、超小封裝，4.1mm x 2.4mm x 1.35mm
⑥、環境光傳感器具有16 位分辨率。
⑦、接近傳感器和紅外傳感器具有10 位分辨率。
AP3216C 常被用于手機、平板、導航設備等，其內置的接近傳感器可以用于檢測是否有物體接近，比如手機上用來檢測耳朵是否接觸聽筒，如果檢測到的話就表示正在打電話，手機就會關閉手機屏幕以省電。也可以使用環境光傳感器檢測光照強度，可以實現自動背光亮度調節。
AP3216C 結構如圖26.1.3.1 所示：
AP3216 的設備地址為0X1E，同幾乎所有的I2C 從器件一樣，AP3216C 內部也有一些寄存器，通過這些寄存器我們可以配置AP3216C 的工作模式，并且讀取相應的數據。AP3216C 我們用的寄存器如表26.1.3.1 所示：
在表26.1.3.1 中，0X00 這個寄存器是模式控制寄存器，用來設置AP3216C 的工作模式，一般開始先將其設置為0X04，也就是先軟件復位一次AP3216C。接下來根據實際使用情況選擇合適的工作模式，比如設置為0X03，也就是開啟ALS+PS+IR。從0X0A~0X0F 這6 個寄存器就是數據寄存器，保存著ALS、PS 和IR 這三個傳感器獲取到的數據值。如果同時打開ALS、PS 和IR 則讀取間隔最少要112.5ms，因為AP3216C 完成一次轉換需要112.5ms。關于AP3216C的介紹就到這里，如果要想詳細的研究此芯片的話，請大家自行查閱其數據手冊。
本章實驗中我們通過I.MX6U 的I2C1 來讀取AP3216C 內部的ALS、PS 和IR 這三個傳感器的值，并且在LCD 上顯示。開機會先檢測AP3216C 是否存在，一般的芯片是有個ID 寄存器，通過讀取ID 寄存器判斷ID 是否正確就可以檢測芯片是否存在。但是AP3216C 沒有ID 寄存器，所以我們就通過向寄存器0X00 寫入一個值，然后再讀取0X00 寄存器，判斷讀出得到值和寫入的是否相等，如果相等就表示AP3216C 存在，否則的話AP3216C 就不存在。本章的配置步驟如下：
1、初始化相應的IO
初始化I2C1 相應的IO，設置其復用功能，如果要使用AP3216C 中斷功能的話，還需要設置AP3216C 的中斷IO。
2、初始化I2C1
初始化I2C1 接口，設置波特率。
3、初始化AP3216C
初始化AP3216C，讀取AP3216C 的數據。
硬件原理分析
本試驗用到的資源如下：
①、指示燈LED0。
②、RGB LCD 屏幕。
③、AP3216C
④、串口
AP3216C 是在I.MX6U-ALPHA 開發板底板上，原理圖如圖26.2.1 所示：
從圖26.2.1 可以看出AP3216C 使用的是I2C1，其中I2C1_SCL 使用的UART4_TXD 這個IO、I2C1_SDA 使用的是UART4_R XD 這個IO。
實驗程序編寫
本實驗對應的例程路徑為：開發板光盤-> 1、裸機例程-> 17_i2c。
本章實驗在上一章例程的基礎上完成，更改工程名字為“ap3216c”，然后在bsp 文件夾下創建名為“i2c”和“ap3216c”的文件夾。在bsp/i2c 中新建bsp_i2c.c 和bsp_i2c.h 這兩個文件，在bsp/ap3216c 中新建bsp_ap3216c.c 和bsp_ap3216c.h 這兩個文件。bsp_i2c.c 和bsp_i2c.h 是I.MX6U 的I2C 文件，bsp_ap3216c.c 和bsp_ap3216c.h 是AP3216C 的驅動文件。在sp_i2c.h 中輸入如下內容：
1 #ifndef _BSP_I2C_H 2 #define _BSP_I2C_H 3 /*************************************************************** 4 Copyright ? zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved. 5 文件名: bsp_i2c.h 6 作者: 左忠凱 7 版本: V1.0 8 描述: IIC驅動文件。 9 其他: 無 10 論壇: www.openedv.com 11 日志: 初版V1.0 2019/1/15 左忠凱創建 12 ***************************************************************/ 13 #include "imx6ul.h" 14 15 /* 相關宏定義*/ 16 #define I2C_STATUS_OK (0)第16 到22 行定義了一些I2C 狀態相關的宏。第27 到31 行定義了一個枚舉類型i2c_direction，此枚舉類型用來表示I2C 主機對從機的操作，也就是讀數據還是寫數據。第36 到44 行定義了一個結構體i2c_transfer，此結構體用于I2C 的數據傳輸。剩下的就是一些函數聲明了，總體來說bsp_i2c.h 文件里面的內容還是很簡單的。接下來在文件bsp_i2c.c 里面輸入如下內容：
/*************************************************************** Copyright ? zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved. 文件名: bsp_i2c.c 作者: 左忠凱 版本: V1.0 描述: IIC驅動文件。 其他: 無 論壇: www.openedv.com 日志: 初版V1.0 2019/1/15 左忠凱創建 ***************************************************************/ 1 #include "bsp_i2c.h" 2 #include "bsp_delay.h" 3 #include "stdio.h" 4 5 /* 6 * @description : 初始化I2C，波特率100KHZ 7 * @param – base : 要初始文件bsp_i2c.c中一共有8 個函數，我們依次來看一下這些函數的功能，首先是函數i2c_init，此函數用來初始化I2C，重點是設置I2C 的波特率，初始化完成以后開啟I2C。第2 個函數是i2c_master_repeated_start，此函數用來發送一個重復開始信號，發送開始信號的時候也會順帶發送從設備地址。第3 個函數是i2c_master_start，此函數用于發送一個開始信號，發送開始信號
的時候也順帶發送從設備地址。第4 個函數是i2c_check_and_clear_error，此函數用于檢查并清除錯誤。第5 個函數是i2c_master_stop，用于產生一個停止信號。第6 和第7 個函數分別為i2c_master_write 和i2c_master_read，這兩個函數分別用于完成向I2C 從設備寫數據和從I2C 從設備讀數據。最后一個函數是i2c_master_transfer，此函數就是用戶最終調用的，用于完成I2C
通信的函數，此函數會使用前面的函數拼湊出I2C 讀/寫時序。此函數就是按照26.1.1 小節講解的I2C 讀寫時序來編寫的。
I2C 的操作函數已經準備好了，接下來就是使用前面編寫I2C 操作函數來配置AP3216C 了，配置完成以后就可以讀取AP3216C 里面的傳感器數據，在bsp_ap3216c.h 輸入如下所示內容：
1 #ifndef _BSP_AP3216C_H 2 #define _BSP_AP3216C_H第15 到26 行定義了一些宏，分別為AP3216C 的設備地址和寄存器地址，剩下的就是函數聲明。接下來在bsp_ap3216c.c 中輸入如下所示內容：
/*************************************************************** Copyright ? zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved. 文件名: bsp_ap3216c.c 作者: 左忠凱文件bsp_ap3216c.c 里面共有4 個函數，第1 個函數是ap3216c_init，顧名思義，此函數用于初始化AP3216C，初始化成功的話返回0，如果初始化失敗就返回其他值。此函數先初始化所使用到的IO，比如初始化I2C1 的相關IO，并設置其復用為I2C1。然后此函數會調用i2c_init來初始化I2C1，最后初始化AP3216C。第2 個和第3 個函數分別為ap3216c_writeonebyte 和
ap3216c_readonebyte，這兩個函數分別是向AP3216C 寫入數據和從AP3216C 讀取數據。這兩個函數都通過調用bsp_i2c.c 中的函數i2c_master_transfer 來完成對AP3216C 的讀寫。最后一個函數就是ap3216c_readdata，此函數用于讀取AP3216C 中的ALS、PS 和IR 傳感器數據。
最后在main.c 中輸入如下代碼：
/************************************************************** Copyright ? zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved. 文件名: main.c 作者: 左忠凱 版本: V1.0 描述: I.MX6U開發板裸機實驗18 IIC實驗 其他: IIC是最常用的接口，ALPHA開發板上有多個IIC外設，本實驗就 來學習如何驅動I.MX6U的IIC接口，并且通過IIC接口讀取板載 AP3216C的數據值。 論壇: www.openedv.com 日志: 初版V1.0 2019/1/15 左忠凱創建 **************************************************************/ 1 #include "bsp_clk.h" 2 #include "bsp_delay.h" 3 #include "bsp_led.h" 4 #include "bsp_beep.h" 5 #include "bsp_key.h" 6 #include "bsp_int.h" 7 #include "bsp_uart.h" 8 #include "bsp_lcd.h" 9 #include "bsp_rtc.h" 10 #include "bsp_ap3216c.h" 11 #include "stdio.h" 12 13 /* 14 * @description : main函數 15 * @param : 無 16 * @return : 無第38 行調用ap3216c_init 來初始化AP3216C，如果AP3216C 初始化失敗的話就會進入循環，會在LCD 上不斷的閃爍字符串“AP3216C Check Failed!”和“Please Check!”，直到AP3216C初始化成功。
第53 行調用函數ap3216c_readdata 來獲取AP3216C 的ALS、PS 和IR 傳感器數據值，獲取完成以后就會在LCD 上顯示出來。
文件main.c 里面的內容總體上還是很簡單的，實驗程序的編寫就到這里。
編譯下載驗證
編寫Makefile 和鏈接腳本
修改Makefile 中的TARGET 為ap3216c，然后在在INCDIRS 和SRCDIRS 中加入“bsp/i2c”和“bsp/ap3216c”，修改后的Makefile 如下：
1 CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf- 2 TARGET ?= ap3216c 3 4 /* 省略掉其它代碼...... */ 5 6 INCDIRS := imx6ul \ 7 stdio/in第2 行修改變量TARGET 為“ap3216c”，也就是目標名稱為“ap3216c”。
第21 和22 行在變量INCDIRS 中添加I2C 和AP3216C 的驅動頭文件(.h)路徑。
第39 和40 行在變量SRCDIRS 中添加I2C 和AP3216C 驅動文件(.c)路徑。
鏈接腳本保持不變。
編譯下載
使用Make 命令編譯代碼，編譯成功以后使用軟件imxdownload 將編譯完成的ap3216c.bin文件下載到SD 卡中，命令如下：
chmod 777 imxdownload //給予imxdownload 可執行權限，一次即可 ./imxdownload ap3216c.bin /dev/sdd //燒寫到SD 卡中，不能燒寫到/dev/sda 或sda1 里面！燒寫成功以后將SD 卡插到開發板的SD 卡槽中，然后復位開發板。程序運行以后LCD界面如圖26.4.2.1 所示：
圖26.4.2.1 中顯示出了AP3216C 的三個傳感器的數據，大家可以用手遮住或者靠近AP3216C，LCD 上的三個數據就會變化。
總結
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