[嵌入式]基于I2C/SPI的温湿度采集与OLED显示

一、I2C总线通信协议

• I2C通讯协议(Inter—Integrated Circuit)是由Philps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。

1.1 I2C总线的物理层

• I2C总线物理层由两根线组成：串行时钟线SCL、串行数据线SDA。由于这两根线都是开漏输出结构，因此必须都接上拉电阻到高电平，因此当总线处于空闲状态时，两根线都处于高电平状态。下图为I2C总线的物理层示意图。
  

1.2 I2C总线的协议层：

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的设备地址。通常的我们将CPU模块作为主设备，而挂接在总线上的其他设备作为从设备。I2C总线上的主设备与从设备之间以8字节为单位进行双向数据传输，并且每个单位后还须跟着一位ACK位。其中数据在SCL处于低电平时被放到SDA数据线上，在SCL处于高电平时进行数据的采样。下图是I2C总线的数据传输协议时序图。I2C总线的传输时序包括：开始条件、地址帧、数据帧、停止条件、重复开始条件。

开始条件：标识传输正式开始，当SCL处于高电平时，SDA由高电平变为低电平。这样所有Slave设备都会知道传输已经开始。

地址帧：地址帧总是在一次通信的最开始出现，通常包括7位的设备地址(MSB)和最后1位的读写控制位(1表示读，0表示写)。接下来是1位的NACK/ACK，当这8位地址发送完成后，Slave设备获得SDA的控制权，此时Slave设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK(将SDA拉低)以表示数据接收正常，否则表示数据接受失败，控制权交由Master设备处理。

数据帧：在地址帧发送之后，就可以开始传送数据了。每个数据帧8位，数据帧的数量可以是任意的，直到产生停止条件。每一个8位数据传输完成之后，接收方就需要回复一个ACK/NACK。

停止条件：当所有数据都发送完成时，当SCL处于高电平时，SDA由低电平变为高电平。除了开始条件和停止条件，在正常的数据传输过程中，当SCL处于高电平时，SDA上的值不能变化，否则会意外产生停止条件。

重复开始条件：有时Master设备需要在一次通信中进行多次消息交换(例如切换读写操作等)，并且不希望其他Master设备干扰，这时可以使用重复开始条件。再一次通信中，Master设备可以产生多次开始条件来完成多次信息交换，最后在产生一个停止条件结束整个通信过程。

二、AHT20数据采集

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_i2c.h"


int main(void)
{	
	delay_init();     
	uart_init(115200);	 
	IIC_Init();
		while(1)
	{
		printf("温度湿度显示");
		read_AHT20_once();
		delay_ms(1500);
  }
}

void  read_AHT20_once(void)
{
	delay_ms(10);

	reset_AHT20();//重置AHT20芯片
	delay_ms(10);

	init_AHT20();//初始化AHT20芯片
	delay_ms(10);

	startMeasure_AHT20();//开始测试AHT20芯片
	delay_ms(80);

	read_AHT20();//读取AHT20采集的到的数据
	delay_ms(5);
}

void read_AHT20(void)
{
	uint8_t   i;

	for(i=0; i<6; i++)
	{
		readByte[i]=0;
	}
	I2C_Start();//I2C启动

	I2C_WriteByte(0x71);//I2C写数据
	ack_status = Receive_ACK();//收到的应答信息
	readByte[0]= I2C_ReadByte();//I2C读取数据
	Send_ACK();//发送应答信息

	readByte[1]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[2]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[3]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[4]= I2C_ReadByte();
	Send_ACK();

	readByte[5]= I2C_ReadByte();
	SendNot_Ack();
	//Send_ACK();

	I2C_Stop();//I2C停止函数
	//判断读取到的第一个字节是不是0x08，0x08是该芯片读取流程中规定的，如果读取过程没有问题，就对读到的数据进行相应的处理
	if( (readByte[0] & 0x68) == 0x08 )
	{
		H1 = readByte[1];
		H1 = (H1<<8) | readByte[2];
		H1 = (H1<<8) | readByte[3];
		H1 = H1>>4;

		H1 = (H1*1000)/1024/1024;

		T1 = readByte[3];
		T1 = T1 & 0x0000000F;
		T1 = (T1<<8) | readByte[4];
		T1 = (T1<<8) | readByte[5];

		T1 = (T1*2000)/1024/1024 - 500;

		AHT20_OutData[0] = (H1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[1] = H1 & 0x000000FF;

		AHT20_OutData[2] = (T1>>8) & 0x000000FF;
		AHT20_OutData[3] = T1 & 0x000000FF;
	}
	else
	{
		AHT20_OutData[0] = 0xFF;
		AHT20_OutData[1] = 0xFF;

		AHT20_OutData[2] = 0xFF;
		AHT20_OutData[3] = 0xFF;
		printf("读取失败！！！");

	}
	printf("\r\n");
	//根据AHT20芯片中，温度和湿度的计算公式，得到最终的结果，通过串口显示
	printf("温度:%d%d.%d",T1/100,(T1/10)%10,T1%10);
	printf("湿度:%d%d.%d",H1/100,(H1/10)%10,H1%10);
	printf("\r\n");
}

AHT20温湿度传感器的数据采集

三、SPI协议

• SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola(摩托罗拉)首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。
  SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
• SPI主从模式
  SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。
  SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps
• SPI信号线
  SPI接口一般使用四条信号线通信：
  SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）
  MISO： 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
  MOSI： 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
  SCLK：串行时钟信号，由主设备产生。
  CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。
  硬件上为4根线。
  
• SPI数据发送接收
  SPI主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
  首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
  主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据
  这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式，这个我们在下面会介绍
  主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
  从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

四、OLED显示数据

int main(void)
{	
	delay_init();	    	       //延时函数初始化	  
	NVIC_Configuration(); 	   //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级 	
	OLED_Init();			         //初始化OLED  
	OLED_Clear(0);             //清屏（全黑）

void TEST_MainPage(void)
{	
	GUI_ShowString(28,0,"Suehiroshi",16,1);
	GUI_ShowCHinese(28,20,16,"浩",1);
	GUI_ShowString(4,48,"631907060221",16,1);
	delay_ms(1500);		
	delay_ms(1500);
}