RVMCU課堂「14」: 手把手教你玩轉(zhuǎn)RVSTAR—I2C總線(xiàn)通信篇

上期內(nèi)容講解了UART串口通信的應(yīng)用方法，本期內(nèi)容的主角是另一種嵌入式系統(tǒng)中常用的通信協(xié)議——I2C（Inter-Integrated Circuit）。本期內(nèi)容將帶領(lǐng)大家使用RV-STAR開(kāi)發(fā)板來(lái)控制OLED液晶屏顯示不同的字符和圖像，從而初步了解I2C總線(xiàn)通信的應(yīng)用方法。

系統(tǒng)環(huán)境

Windows 10-64bit

軟件平臺(tái)

NucleiStudio IDE 202102版或PlatformIO IDE

硬件需求

RV-STAR開(kāi)發(fā)板、

0.96英寸OLED顯示屏（I2C接口）

I2C協(xié)議介紹
I2C是由NXP（原PHILIPS）公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍芯片，目前已成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在微控制器設(shè)計(jì)中被大量采用，在RV-STAR所使用的GD32VF103微控制器上也集成了I2C接口。

I2C總線(xiàn)的主要特點(diǎn)是接線(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件上只需兩條線(xiàn)，一根SCL時(shí)鐘線(xiàn)用于收發(fā)雙方的時(shí)鐘節(jié)拍，一根SDA數(shù)據(jù)線(xiàn)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，因此I2C是一種同步通信。

I2C可以?huà)燧d多個(gè)參與通信的器件，即多機(jī)模式，且任何一個(gè)器件都可以作為主機(jī)，在多數(shù)情況下由微控制器作為主機(jī)，在本次的實(shí)驗(yàn)中也是如此。

I2C的數(shù)據(jù)傳輸流程和UART具有相似之處，包括起始信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號(hào)，其中和UART不同的地方在于，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒(méi)有限制，可以一次傳輸很多個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)后跟有一個(gè)應(yīng)答位（即ACK），有點(diǎn)類(lèi)似于UART的停止位。
I2C在應(yīng)用時(shí)，在發(fā)送了起始信號(hào)（Start）后，要先發(fā)送一個(gè)7位的從機(jī)地址，緊跟著的第8位是數(shù)據(jù)方向位（R/W），“0”表示接下來(lái)要發(fā)送數(shù)據(jù)，“1”表示接下來(lái)要讀數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送完這個(gè)8個(gè)位后，如果發(fā)送的地址有設(shè)備存在，這個(gè)設(shè)備應(yīng)該回復(fù)一個(gè)ACK（拉低SDA，輸出“0”），這樣才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行通信流程。

OLED液晶屏介紹
OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光二極管）因?yàn)榫邆漭p薄、省電、顯示效果好等特性，被廣泛應(yīng)用手機(jī)、音樂(lè)播放器等電子設(shè)備中。

本次實(shí)驗(yàn)用到的OLED液晶屏參數(shù)如下：

尺寸	0.96英寸
分辨率	128*64
可視角度	大于160°
功耗	0.06w
供電范圍	3.3v~5v
工作溫度	-30℃~70℃
體積	27mm*27mm*2mm
亮度	可通過(guò)指令控制
驅(qū)動(dòng)芯片	SSD1306
接口	I2C

GD32VF103的I2C接口
GD32VF103的I2C（內(nèi)部集成電路總線(xiàn)）模塊提供了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線(xiàn)串行制接口，可用于MCU和外部I2C設(shè)備的通訊。I2C總線(xiàn)使用兩條串行線(xiàn)：串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL。I2C接口模塊實(shí)現(xiàn)了I2C協(xié)議的標(biāo)速模式（最高100KHz）和快速模式（最高400KHz），具備CRC計(jì)算和校驗(yàn)功能，支持SMBus（系統(tǒng)管理總線(xiàn)）和 PMBus（電源管理總線(xiàn)）。此外還支持多主機(jī)I2C總線(xiàn)架構(gòu)。I2C接口模塊也支持DMA模式，可有效減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考《GD32VF103用戶(hù)手冊(cè)》。

實(shí)驗(yàn)部分
首先需要將RV-STAR開(kāi)發(fā)板及OLED顯示屏參照下圖使用杜邦線(xiàn)進(jìn)行連線(xiàn)：

然后在IDE中進(jìn)行代碼編寫(xiě)，在使用I2C接口的時(shí)候，首先要對(duì)其進(jìn)行初始化：先使能外設(shè)時(shí)鐘，然后將SDA、SCL兩個(gè)引腳配置為開(kāi)漏模式，之后需要依次設(shè)置I2C的時(shí)鐘速率、地址，然后使能I2C和ACK。其相關(guān)代碼如下：
void I2C_Configuration(void)
{
uint32_t GPIO_SDA, GPIO_SCL;
uint32_t GPIO_PIN_SDA, GPIO_PIN_SCL;

rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
rcu_periph_clock_enable(RCU_I2C1);

GPIO_SDA = GPIOB;
GPIO_PIN_SDA = GPIO_PIN_11;
GPIO_SCL = GPIOB;
GPIO_PIN_SCL = GPIO_PIN_10;

gpio_init(GPIO_SCL, GPIO_MODE_AF_OD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_SCL);
gpio_init(GPIO_SDA, GPIO_MODE_AF_OD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_SDA);

i2c_clock_config(I2C1, 400000, I2C_DTCY_2);
i2c_mode_addr_config(I2C1, I2C_I2CMODE_ENABLE, I2C_ADDFORMAT_7BITS, 0x30);
i2c_enable(I2C1);
i2c_ack_config(I2C1, I2C_ACK_ENABLE);
}

在本次實(shí)驗(yàn)中，由于使用的是“主發(fā)從收”模式，RV-STAR開(kāi)發(fā)板作為主機(jī)，通過(guò)向OLED屏幕發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，從而控制OLED屏幕顯示不同的字符和圖像，所以除初始化I2C外設(shè)的函數(shù)外，接下來(lái)需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)讓主機(jī)向從機(jī)發(fā)送字節(jié)的函數(shù)，其代碼和注釋如下：

void I2C_WriteByte(uint8_t addr, uint8_t data)
{
/* wait until I2C bus is idle */
while(i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_I2CBSY));

/* send a start condition to I2C bus */
i2c_start_on_bus(I2C1);
/* wait until SBSEND bit is set */
while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_SBSEND));

/* send slave address to I2C bus*/
i2c_master_addressing(I2C1, 0x78, I2C_TRANSMITTER);
/* wait until ADDSEND bit is set*/
while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_ADDSEND));
/* clear ADDSEND bit */
i2c_flag_clear(I2C1, I2C_FLAG_ADDSEND);

/* send a addr byte */
i2c_data_transmit(I2C1, addr);
/* wait until the transmission data register is empty*/
while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_TBE));

/* send a data byte */
i2c_data_transmit(I2C1, data);
/* wait until the transmission data register is empty*/
while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_TBE));

/* send a stop condition to I2C bus*/
i2c_stop_on_bus(I2C1);
/* wait until stop condition generate */
while(I2C_CTL0(I2C1)