教你玩转[14]_RVSTAR—I²C总线通信篇

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上期内容讲解了UART串口通信的应用方法，本期内容的主角是另一种嵌入式系统中常用的通信协议——I²C（Inter-Integrated Circuit）。本期内容将带领大家使用RV-STAR开发板来控制OLED液晶屏显示不同的字符和图像，从而初步了解I²C总线通信的应用方法。

• 系统环境  Windows 10-64bit
• 软件平台  NucleiStudio IDE 202102版或PlatformIO IDE
• 硬件需求  RV-STAR开发板、0.96英寸OLED显示屏（I2C接口）
  

一、I²C协议介绍

I²C 是由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围芯片，目前已成为一种行业标准，在微控制器设计中被大量采用，在RV-STAR所使用的GD32VF103微控制器上也集成了I²C接口。

I²C总线的主要特点是接线简单，硬件上只需两条线，一根SCL时钟线用于收发双方的时钟节拍，一根SDA数据线负责传输数据，因此I²C是一种同步通信。

I²C可以挂载多个参与通信的器件，即多机模式，且任何一个器件都可以作为主机，在多数情况下由微控制器作为主机，在本次的实验中也是如此。

I²C的数据传输流程和UART具有相似之处，包括起始信号、数据传输和停止信号，其中和UART不同的地方在于，数据传输的字节数没有限制，可以一次传输很多个字节，每个字节后跟有一个应答位（即ACK），有点类似于UART的停止位。
I²C在应用时，在发送了起始信号（Start）后，要先发送一个7位的从机地址，紧跟着的第8位是数据方向位（R/W），“0”表示接下来要发送数据，“1”表示接下来要读数据。当发送完这个8个位后，如果发送的地址有设备存在，这个设备应该回复一个ACK（拉低SDA，输出“0”），这样才会继续进行通信流程。


二、OLED液晶屏介绍

OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）因为具备轻薄、省电、显示效果好等特性，被广泛应用手机、音乐播放器等电子设备中。

本次实验用到的OLED液晶屏参数如下：

尺寸               0.96英寸
分辨率           128*64
可视角度        大于160°
功耗               0.06w
供电范围        3.3v~5v
工作温度        -30℃~70℃
体积              27mm*27mm*2mm
亮度              可通过指令控制
驱动芯片       SSD1306
接口              I2C


三、GD32VF103的I²C接口

GD32VF103 的I²C（内部集成电路总线）模块提供了符合工业标准的两线串行制接口，可用于MCU和外部I²C设备的通讯。I²C总线使用两条串行线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL。I²C接口模块实现了I²C协议的标速模式（最高100KHz）和快速模式（最高400KHz），具备CRC计算和校验功能，支持SMBus（系统管理总线）和 PMBus（电源管理总线）。此外还支持多主机I²C总线架构。I²C接口模块也支持DMA模式，可有效减轻CPU的负担。

更详细内容请参考《GD32VF103用户手册》。


四、实验部分

首先需要将RV-STAR开发板及OLED显示屏参照下图使用杜邦线进行连线：

然后在IDE中进行代码编写，在使用I²C接口的时候，首先要对其进行初始化：先使能外设时钟，然后将SDA、SCL两个引脚配置为开漏模式，之后需要依次设置I²C的时钟速率、地址，然后使能I²C和ACK。其相关代码如下：

1. void I2C_Configuration(void)
   
2. {
   
3.     uint32_t GPIO_SDA, GPIO_SCL;
   
4.     uint32_t GPIO_PIN_SDA, GPIO_PIN_SCL;
   
5. 
   
6.     rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
   
7.     rcu_periph_clock_enable(RCU_I2C1);
   
8. 
   
9.     GPIO_SDA = GPIOB;
   
10.     GPIO_PIN_SDA = GPIO_PIN_11;
    
11.     GPIO_SCL = GPIOB;
    
12.     GPIO_PIN_SCL = GPIO_PIN_10;
    
13. 
    
14.     gpio_init(GPIO_SCL, GPIO_MODE_AF_OD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_SCL);
    
15.     gpio_init(GPIO_SDA, GPIO_MODE_AF_OD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_SDA);
    
16. 
    
17.     i2c_clock_config(I2C1, 400000, I2C_DTCY_2);
    
18.     i2c_mode_addr_config(I2C1, I2C_I2CMODE_ENABLE, I2C_ADDFORMAT_7BITS, 0x30);
    
19.     i2c_enable(I2C1);
    
20.     i2c_ack_config(I2C1, I2C_ACK_ENABLE);
    
21. }

复制代码

在本次实验中，由于使用的是“主发从收”模式，RV-STAR开发板作为主机，通过向OLED屏幕发送指令和数据，从而控制OLED屏幕显示不同的字符和图像，所以除初始化I²C外设的函数外，接下来需要实现一个让主机向从机发送字节的函数，其代码和注释如下：

1. void I2C_WriteByte(uint8_t addr, uint8_t data)
   
2. {
   
3.     /* wait until I2C bus is idle */
   
4.     while(i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_I2CBSY));
   
5. 
   
6.     /* send a start condition to I2C bus */
   
7.     i2c_start_on_bus(I2C1);
   
8.     /* wait until SBSEND bit is set */
   
9.     while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_SBSEND));
   
10. 
    
11.     /* send slave address to I2C bus*/
    
12.     i2c_master_addressing(I2C1, 0x78, I2C_TRANSMITTER);
    
13.     /* wait until ADDSEND bit is set*/
    
14.     while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_ADDSEND));
    
15.     /* clear ADDSEND bit */
    
16.     i2c_flag_clear(I2C1, I2C_FLAG_ADDSEND);
    
17. 
    
18.     /* send a addr byte */
    
19.     i2c_data_transmit(I2C1, addr);
    
20.     /* wait until the transmission data register is empty*/
    
21.     while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_TBE));
    
22. 
    
23.     /* send a data byte */
    
24.     i2c_data_transmit(I2C1, data);
    
25.     /* wait until the transmission data register is empty*/
    
26.     while(!i2c_flag_get(I2C1, I2C_FLAG_TBE));
    
27. 
    
28.     /* send a stop condition to I2C bus*/
    
29.     i2c_stop_on_bus(I2C1);
    
30.     /* wait until stop condition generate */
    
31.     while(I2C_CTL0(I2C1)&0x0200);
    
32. }

复制代码

发送字节的过程在代码中配有详细注释（其中OLED屏幕的I²C地址默认为0x78），在实现了I²C的初始化和字节发送功能后，OLED的具体控制实现起来就相当容易了，其相关接口和函数的说明在代码中都进行了注释，这里不进行赘述，大家可以通过阅读项目源代码进行了解。

完整代码请参考：https://github.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/i2c/i2c_oled_screen

实验现象参考以下动图

完