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一.I2C通信总线协议
1.I2C总线简介
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，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。
（1）物理层
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，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。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。
（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；I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。 SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据，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。
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。
2.IIC通信协议简介
I2C总线通讯由起始位开始通讯，由结束位停止通讯，并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出：
起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平
结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平
I2C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号；应答信号的时钟是由主设备产生的：应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平；非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平在传输期间，如果从设备来不及处理主设备发送的数据，从设备会保持SCL线为低电平，强迫主设备等待从设备释放SCL线，直到从设备处理完后，释放SCL线，接着进行数据传输。
3.硬件I2C和软件I2C
（1）硬件I2C
对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，因而效率要远高于软件模拟的I2C；一般也较为稳定，但是程序较为繁琐。硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置；而软件I2C是没有寄存器这个概念的。
（2）软件I2C
软件I2C则是通过模拟I2C协议，使用GPIO口来模拟SCL和SDA信号，实现I2C通信。软件I2C可以任意选择引脚，具有更好的灵活性，但通信速度相对较慢。
二.OLED显示屏简介
OLED即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示，OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术，LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示，OLED 效果要来得好一些，以目前的技术，OLED 的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。
三基于AHT20温湿度采集-串口显示上位机
注：由于笔者在进行串口显示温湿度以及OLED显示姓名学号时，并没有接触u8g2库的相关知识，所以这两部分的内容仍是采用固件库添加的方式实现。
1.AHT20基本原理
（1） AHT20介绍
AHT20是一款数字式温湿度传感器，具有高精度、快速响应和低功耗的特点。能够准确测量环境的温度和湿度，并通过I2C接口与主控设备进行通信。要实现AHT20温湿度传感器的数据采集，首先需要阅读AHT20的数据手册，了解其通信协议和指令。然后，可以使用STM32F103的硬件I2C或软件I2C来实现与AHT20的通信。在采集到温湿度数据后，可以通过编程控制OLED显示相应的温湿度值。同时，使用STM32F103的串口功能，将采集到的温湿度数据发送到上位机的“串口助手”软件。具体实现步骤如下：
1）初始化STM32F103的硬件I2C或软件I2C，并配置相应的引脚。
2）根据AHT20的数据手册，编写相应的指令，实现对AHT20的初始化和温湿度数据采集。
3）初始化OLED显示屏，并编写相应的显示程序，将采集到的温湿度数据显示到OLED上。
4）初始化STM32F103的串口功能，并编写相应的发送程序，将采集到的温湿度数据通过串口发送到上位机的“串口助手”软件。
5）编写主循环程序，每隔2秒钟调用一次温湿度数据采集和显示发送程序。
（2）AHT20芯片信息
官方产品介绍文档：http://www.aosong.com/class-36.html
（3）AHT20的硬件连接
AHT20的SCL，GND，SDA，VCC分别对应接stm32f103指南者i2c模块的B6，GND，B7，3.3V。
2.工程创建
（1）任务描述
每隔2秒钟采集一次温湿度数据，并通过串口发送到上位机（win10）。
（2）具体过程
首先打开keil5软件，创建一个空的keil工程，我将其命名为：AHT20,然后在这个工程中继续新建一个project用来存放文件，完成以后选择STM32F103C8系列的芯片，选好以后，会弹出一个窗口，直接差点即可，
完成以后，点开工程，可以看到以下界面：
接着需要在新建的AHT20工程中添加基本的Start、LIbrary、User这三个文件，文件的具体移植内容参考b站江协科技，也可参考笔者的博客：https://blog.youkuaiyun.com/2301_78300727/article/details/143824776，移植好文件内容后，可以看到工程中的文件如下：
然后重新进入keil中，添加刚才的文件以及相关的路径，点击三个小箱子后，新建三个名为：Start、Library、User的文件，然后分别进行“Add Files”，
然后添加路径，点击魔术棒，选择“C/C++”,,找到“include paths”，完成路径的添加，
下一步就是最重要的固件库添加AHT20相关代码，先在工程文件夹的User中添加几个文件，分别为：usart.c、usart.h、bsp_i2c.c、bsp_i2c.h、delay.c、delay.h、sys.c、sys.h，然后再打开keil工程在User中把这几个文件添加进去（可以只添加.c文件，我由于习惯把.h文件也加进去了），如下图：
3.相关代码
（1）usart.c:
#include "sys.h"
#include "usart.h"
//STM32F103ºËÐÄ°åÀý³Ì
//¿âº¯Êý°æ±¾Àý³Ì
/********** mcudev.taobao.com ³öÆ· ********/
//
//Èç¹ûʹÓÃucos,Ôò°üÀ¨ÏÂÃæµÄÍ·Îļþ¼´¿É.
#if SYSTEM_SUPPORT_UCOS
#include "includes.h" //ucos ʹÓÃ
#endif
//
//STM32¿ª·¢°å
//´®¿Ú1³õʼ»¯
//
//
//¼ÓÈëÒÔÏ´úÂë,Ö§³Öprintfº¯Êý,¶ø²»ÐèҪѡÔñuse MicroLIB
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)
//±ê×¼¿âÐèÒªµÄÖ§³Öº¯Êý
struct __FILE
{
int handle;
};
FILE __stdout;
//¶¨Òå_sys_exit()ÒÔ±ÜÃâʹÓðëÖ÷»úģʽ
void _sys_exit(int x)
{
x = x;
}
//Öض¨Òåfputcº¯Êý
int fputc(int ch, FILE *f)
{
while((USART1->SR&0X40)==0);//Ñ»··¢ËÍ,Ö±µ½·¢ËÍÍê±Ï
USART1->DR = (u8) ch;
return ch;
}
#endif
/*ʹÓÃmicroLibµÄ·½·¨*/
/*
int fputc(int ch, FILE *f)
{
USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET) {}
return ch;
}
int GetKey (void) {
while (!(USART1->SR & USART_FLAG_RXNE));
return ((int)(USART1->DR & 0x1FF));
}
*/
#if EN_USART1_RX //Èç¹ûʹÄÜÁ˽ÓÊÕ
//´®¿Ú1ÖжϷþÎñ³ÌÐò
//×¢Òâ,¶ÁÈ¡USARTx->SRÄܱÜÃâĪÃûÆäÃîµÄ´íÎó
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //½ÓÊÕ»º³å,×î´óUSART_REC_LEN¸ö×Ö½Ú.
//½ÓÊÕ״̬
//bit15£¬ ½ÓÊÕÍê³É±êÖ¾
//bit14£¬ ½ÓÊÕµ½0x0d
//bit13~0£¬ ½ÓÊÕµ½µÄÓÐЧ×Ö½ÚÊýÄ¿
u16 USART_RX_STA=0; //½ÓÊÕ״̬±ê¼Ç
void uart_init(u32 bound){
//GPIO¶Ë¿ÚÉèÖÃ
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //ʹÄÜUSART1£¬GPIOAʱÖÓ
//USART1_TX PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //¸´ÓÃÍÆÍìÊä³ö
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//USART1_RX PA.10
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//¸¡¿ÕÊäÈë
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//Usart1 NVIC ÅäÖÃ
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//ÇÀÕ¼ÓÅÏȼ¶3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //×ÓÓÅÏȼ¶3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQͨµÀʹÄÜ
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //¸ù¾ÝÖ¸¶¨µÄ²ÎÊý³õʼ»¯VIC¼Ä´æÆ÷
//USART ³õʼ»¯ÉèÖÃ
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//Ò»°ãÉèÖÃΪ9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//×Ö³¤Îª8λÊý¾Ý¸ñʽ
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//Ò»¸öֹͣλ
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//ÎÞÆæżУÑéλ
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//ÎÞÓ²¼þÊý¾ÝÁ÷¿ØÖÆ
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //ÊÕ·¢Ä£Ê½
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //³õʼ»¯´®¿Ú
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//¿ªÆôÖжÏ
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //ʹÄÜ´®¿Ú
}
void USART1_IRQHandler(void) //´®¿Ú1ÖжϷþÎñ³ÌÐò
{
u8 Res;
#ifdef OS_TICKS_PER_SEC //Èç¹ûʱÖÓ½ÚÅÄÊý¶¨ÒåÁË,˵Ã÷ҪʹÓÃucosIIÁË.
OSIntEnter();
#endif
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //½ÓÊÕÖжÏ(½ÓÊÕµ½µÄÊý¾Ý±ØÐëÊÇ0x0d 0x0a½áβ)
{
Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR); //¶ÁÈ¡½ÓÊÕµ½µÄÊý¾Ý
if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//½ÓÊÕδÍê³É
{
if(USART_RX_STA&0x4000)//½ÓÊÕµ½ÁË0x0d
{
if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//½ÓÊÕ´íÎó,ÖØпªÊ¼
else USART_RX_STA|=0x8000; //½ÓÊÕÍê³ÉÁË
}
else //»¹Ã»ÊÕµ½0X0D
{
if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
else
{
USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
USART_RX_STA++;
if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//½ÓÊÕÊý¾Ý´íÎó,ÖØпªÊ¼½ÓÊÕ
}
}
}
}
#ifdef OS_TICKS_PER_SEC //Èç¹ûʱÖÓ½ÚÅÄÊý¶¨ÒåÁË,˵Ã÷ҪʹÓÃucosIIÁË.
OSIntExit();
#endif
}
#endif
（2）usart.h:
#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"
#include "sys.h"
//STM32F103ºËÐÄ°åÀý³Ì
//¿âº¯Êý°æ±¾Àý³Ì
/********** mcudev.taobao.com ³öÆ· ********/
//
//STM32¿ª·¢°å
//´®¿Ú1³õʼ»¯
#define USART_REC_LEN 200 //¶¨Òå×î´ó½ÓÊÕ×Ö½ÚÊý 200
#define EN_USART1_RX 1 //ʹÄÜ£¨1£©/½ûÖ¹£¨0£©´®¿Ú1½ÓÊÕ
extern u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //½ÓÊÕ»º³å,×î´óUSART_REC_LEN¸ö×Ö½Ú.Ä©×Ö½ÚΪ»»Ðзû
extern u16 USART_RX_STA; //½ÓÊÕ״̬±ê¼Ç
//Èç¹ûÏë´®¿ÚÖжϽÓÊÕ£¬Ç벻ҪעÊÍÒÔϺ궨Òå
void uart_init(u32 bound);
#endif
（3）bsp_i2c.c:
#include "bsp_i2c.h"
#include "delay.h"
uint8_t ack_status=0;
uint8_t readByte[6];
uint8_t AHT20_status=0;
uint32_t H1=0; //Humility
uint32_t T1=0; //Temperature
uint8_t AHT20_OutData[4];
uint8_t AHT20sendOutData[10] = {0xFA, 0x06, 0x0A, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF};
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //ÍÆÍìÊä³ö
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;
}
//²úÉúIICÆðʼÐźÅ
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sdaÏßÊä³ö
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(4);
IIC_SCL=0;//ǯסI2C×ÜÏߣ¬×¼±¸·¢ËÍ»ò½ÓÊÕÊý¾Ý
}
//²úÉúIICÍ£Ö¹ÐźÅ
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();//sdaÏßÊä³ö
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;//·¢ËÍI2C×ÜÏß½áÊøÐźÅ
delay_us(4);
}
//µÈ´ýÓ¦´ðÐźŵ½À´
//·µ»ØÖµ£º1£¬½ÓÊÕÓ¦´ðʧ°Ü
// 0£¬½ÓÊÕÓ¦´ð³É¹¦
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDAÉèÖÃΪÊäÈë
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//ʱÖÓÊä³ö0
return 0;
}
//²úÉúACKÓ¦´ð
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//²»²úÉúACKÓ¦´ð
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//IIC·¢ËÍÒ»¸ö×Ö½Ú
//·µ»Ø´Ó»úÓÐÎÞÓ¦´ð
//1£¬ÓÐÓ¦´ð
//0£¬ÎÞÓ¦´ð
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//ÀµÍʱÖÓ¿ªÊ¼Êý¾Ý´«Êä
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
txd<<=1;
delay_us(2); //¶ÔTEA5767ÕâÈý¸öÑÓʱ¶¼ÊDZØÐëµÄ
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
//¶Á1¸ö×Ö½Ú£¬ack=1ʱ£¬·¢ËÍACK£¬ack=0£¬·¢ËÍnACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDAÉèÖÃΪÊäÈë
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//·¢ËÍnACK
else
IIC_Ack(); //·¢ËÍACK
return receive;
}
void IIC_WriteByte(uint16_t addr,uint8_t data,uint8_t device_addr)
{
IIC_Start();
if(device_addr==0xA0) //eepromµØÖ·´óÓÚ1×Ö½Ú
IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));//·¢Ë͸ߵØÖ·
else
IIC_Send_Byte(device_addr); //·¢Æ÷¼þµØÖ·
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(addr&0xFF); //·¢Ë͵͵ØÖ·
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(data); //·¢ËÍ×Ö½Ú
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();//²úÉúÒ»¸öÍ£Ö¹Ìõ¼þ
if(device_addr==0xA0) //
delay_ms(10);
else
delay_us(2);
}
uint16_t IIC_ReadByte(uint16_t addr,uint8_t device_addr,uint8_t ByteNumToRead) //¶Á¼Ä´æÆ÷»ò¶ÁÊý¾Ý
{
uint16_t data;
IIC_Start();
if(device_addr==0xA0)
IIC_Send_Byte(0xA0 + ((addr/256)<<1));
else
IIC_Send_Byte(device_addr);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(addr&0xFF); //·¢Ë͵͵ØÖ·
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(device_addr+1); //·¢Æ÷¼þµØÖ·
IIC_Wait_Ack();
if(ByteNumToRead == 1)//LM75ζÈÊý¾ÝΪ11bit
{
data=IIC_Read_Byte(0);
}
else
{
data=IIC_Read_Byte(1);
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