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[嵌入式]基于I2C/SPI总线的温湿度采集与OLED显示 |
目录 一、I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集(一)了解I2C总线协议1、I2C协议简介
??
? ? ? ? ??I2C 通讯协议(Inter
-
Integrated Circuit)
是由
Phiilps 公司开发的,由于它引脚少,硬件实
现简单,可扩展性强,不需要 USART
、
CAN 等通讯协议的外部收发设备,现在被广泛地
使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
? ? ? ? 在计算机科学里,大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和
片上外设;STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议,我们也
以分层的方式来理解,最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有
机械、电子功能部分的特性,确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑,
统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流,
协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
? ? ? ?下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。
?2、I2C 协议的物理层和协议层???
? ? ? ??①物理层
它的物理层有如下特点:
? ? ? ?(1)
它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个
I2C
通讯总线
中,可连接多个
I2C
通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。
? ? ? ?(2)
一个
I2C
总线只使用两条总线线路,一条双向串行数据线
(SDA)
,一条串行时钟线
(SCL)
。数据线即用来表示数据,时钟线用于数据收发同步。
? ? ? ?(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备之
间的访问。
? ? ? ?(4)
总线通过上拉电阻接到电源。当
I2C
设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空
闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。
? ? ? ?(5)
多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定由哪个设备占用
总线。
? ? ? ?(6)
具有三种传输模式:标准模式传输速率为
100kbit/s
,快速模式为
400kbit/s
,高速模式
下可达
3.4Mbit/s
,但目前大多
I
2
C
设备尚不支持高速模式。
? ? ? ?(7)
连接到相同总线的
IC
数量受到总线的最大电容
400pF
限制
。
? ??②协议层
? ??
? ? ? ? ?I2C
的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地
址广播等环节
通讯的起始和停止信号 :当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换,这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换,表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
数据有效性:
? ? ? ? I2C
使用
SDA
信号线来传输数据,使用
SCL
信号线进行数据同步。见图
24-6
。
SDA
数
据线在
SCL
的每个时钟周期传输一位数据。传输时,
SCL
为高电平的时候
SDA
表示的数据
有效,即此时的
SDA
为高电平时表示数据“
1
”,为低电平时表示数据“
0
”。当
SCL
为低
电平时,
SDA
的数据无效,一般在这个时候
SDA
进行电平切换,为下一次表示数据做好准
备。
每次数据传输都以字节为单位,每次传输的字节数不受限制。
地址及数据方向 :
? ? ? ? I2C
总线上的每个设备都有自己的独立地址,主机发起通讯时,通过
SDA
信号线发送
设备地址
(SLAVE_ADDRESS)
来查找从机。
I2C
协议规定设备地址可以是
7
位或
10
位,实
际中
7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是
数据方向位
(R/W
),第
8
位或第
11
位。数据方向位为“
1
”时表示主机由从机读数据,该位
为“
0”时表示主机向从机写数据。读数据方向时,主机会释放对 SDA 信号线的控制,由从机控制 SDA 信号线,主机接收信号,写数据方向时,SDA 由主机控制,从机接收信号。
响应 :
? ? ? ? ? ?I2C
的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答
(ACK)
”和“非应答
(NACK)
”两种
信号。作为数据接收端时,当设备
(
无论主从机
)
接收到
I2C
传输的一个字节数据或地址后,
若希望对方继续发送数据,则需要向对方发送“应答
(ACK)
”信号,发送方会继续发送下
一个数据;若接收端希望结束数据传输,则向对方发送“非应答
(NACK)
”信号,发送方接
收到该信号后会产生一个停止信号,结束信号传输。传输时主机产生时钟,在第 9 个时钟时,数据发送端会释放 SDA 的控制权,由数据接收端控制 SDA,若 SDA 为高电平,表示非应答信号(NACK),低电平表示应答信号(ACK)。
3、硬件I2C和软件I2C?①硬件I2C 直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设。
②软件I2C 直接使用 CPU 内核按照 I2C 协议的要求控制 GPIO 输出高低电平,从而模拟I2C。
③两者的差别 硬件 I2C 直接使用外设来控制引脚,可以减轻 CPU 的负担。不过使用硬件I2C 时必须使用某些固定的引脚作为 SCL 和 SDA,软件模拟 I2C 则可以使用任意 GPIO 引脚,相对比较灵活。对于硬件I2C用法比较复杂,软件I2C的流程更清楚一些。如果要详细了解I2C的协议,使用软件I2C可能更好的理解这个过程。在使用I2C过程,硬件I2C可能通信更加快,更加稳定。 (二)实现AHT20采集程序1、了解AHT20芯片的相关信息,具体信息请到官方下载对应产品介绍文档,资料链接如下:软件下载-温湿度传感器 温湿度芯片 温湿度变送器模块 气体传感器 流量传感器 广州奥松电子股份有限公司 ?2、添加代码 完整代码路径为:GitHub - Sunlight-Dazzling/stm32-AHT20 at master 3、主要代码的分析 AHT20芯片的使用过程
AHT20芯片读取数据
? ? 主函数
4、连接 AHT20的SCL,GND,SDA,VCC分别对应接stm32f103指南者i2c模块的B6,GND,B7,3v3。 5、结果 二、基于SPI通信方式的OLED显示(一)SPI简介1、SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写,是由 Motorola 公司提出的一种高速的,全双工,同步的通信总线,被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间要求通讯速率较高的场合。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件连接,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线C/S(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。 上图中的时序只是 SPI 其中一种通讯模式,SPI 一共有四种通讯模式,它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明,在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。
根据 CPOL 及 CPHA 的不同状态,SPI 分成了四种模式,见下图,主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯,实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。 (二)使用0.96寸OLED显示屏显示数据1、实验工具与材料 2、0.96寸OLED显示屏相关介绍 参考下面链接:0.96inch SPI OLED Module - LCD wiki 3、点阵编码原理与显示 汉字点阵编码
王来风的存储代码 删掉原部分代码,将下面代码添加到oledfont.h相应位置。
?实现显示代码 将下面代码添加到test.c中
main函数
5、烧录接线 6、结果 显示AHT20的温度和湿度 main.c
结果为: 滑动显示字符? test.c中部分代码:
?oledfont.h中部分代码:
main.c中代码
结果为: 三、总结在?I2C接口实现温湿度(AHT20)的采集的实验中,我了解到了什么是I2C协议,以及硬件I2C和软件I2C的区别,对于AHT20芯片读取数据的过程也有了一个比较清晰的认识,而在基于SPI通信方式的OLED显示的实验中,我学到了中文字库点阵、OLED屏幕滑动显示等,获益良多 四、参考
? ?
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