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[STM32]Day4OLED与I2C协议

news 2026/5/28 16:24:58

OLED

OLED(Organic Light Emitting Diode)，供电3-5.5V，通信协议I2C/SPI，分辨率128*64

调试方式：

串口调试：通过串口通信，将调试信息发送到电脑端，电脑使用串口助手显示调试信息
显示屏调试：直接将显示屏连接到单片机，将调试信息打印在显示屏上
Keil调试模式：借助Keil软件的调试功能，进行单步调试、断电设置，查看寄存器及变量

OLED电路

OLED驱动代码提供的方法

OLED驱动代码

OLED驱动代码包括OLED.c，OLED.h，OLED_Font.h，其中可能需要修改的是OLED.c中关于SCL和SDA引脚的设置

在Proteus中使用这些函数

编写main.c

四阵脚OLED显示屏在Proteus元件库中的名称为OLED 12864I2C，添加该元件并供电，SCL接PB8，SDA接PB9

观察到OLED能正确显示，但是有一些警告

原因是I2C的SDA/SCL没有上拉电阻，增加上拉电阻后重新仿真

可以观察到需要很长时间才开始逐个显示字符，而不是像没有上拉电阻时快速打印出所有字符。之前的警告消失但是出现了新的警告

原因可能是OLED是“软件模拟I2C，而不是硬件I2C”。OLED.c中使用PB8/PB9手动拉高拉低模拟I2C，OLED_I2C_SendByte()里每发送一个1bit都要操作SCL/SDA。

I2C

I2C是一种两根线的通信方式，使用两根信号线SCL(时钟线，Serial Clock)，SDA(数据线，Serial Date)。

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。

I2C物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式如图。其特点为：

是一个支持设备的总线。”总线“指多个设备公用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可以连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机以及多个通讯从机。
一个I2C总线只是用两条总线线路，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。数据线用来表示收发的数据，时钟线用于数据收发同步。
每个连接到总线的设备都有独立的地址，供主机访问。
总线通过上拉电阻连接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，当所有设备均空闲时，都输出高阻态，此时由上拉电阻将总线拉到高电平。
多个主机使用总线时，通过仲裁方式决定那个设备占用总线。
有三种传输模式：标准模式传输速度100kbit/s，快速模式传输速度400kbit/s，高速模式传输速度3.4Mbit/s，但目前大多数I2C设备不支持高速模式。
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。由于I2C的SDA，SCL都是开漏输出模式，器件智能主动拉低电平，低电平到高电平依靠上拉电阻拉高。如果IC(Intergrated Circuit，集成电路，可以理解为外设里的芯片)数量多，电容增大，会使低电平到高电平的跳变变慢。

I2C协议层

主机从机进行I2C通信时SDA上的数据包序列：

主机想要个从机进行通信时，先在SDA上发送一个起始信号S，这个信号会被所有从机接收。接下来从机等待主机发送从机地址+读写信号并与自身地址比较，如果地址不同，该从机忽略之后的SDA上信号；如果相同，表明该设备被选中，进入通信，从机会在第9个时钟周期拉低SDA，即应答信号ACK。从机地址SLAVE_ADDRESS可以为7位或10位。读写控制位R/W，0为写，1为读。

写数据

如果R/W为0，表示主机要向从机写数据。在接收到应答信号ACK后，主机开始正式向从机写数据DATA，数据包的大小为8位。主机每发送完一个字节，都要等待从机的应答信号ACK，重复这个过程，可以不断向从机写数据直到所有数据都已写完。数据传输完成后，主机向从机发送一个停止信号P，结束本次通信。

读数据

如果R/W为1，表示主机要从从机读数据。在接收到应答信号ACK后，主机开始从从机接收数据DATA，数据包大小同样为8位。从机每发送完一个字节，都要等待主机的应答信号ACK，重复这个过程，从机可以向主机发送N个数据包，N没有限制。当主机希望停止接收数据时，向从机发送一个非应答信号NACK，再发送一个停止信号P，表示本次通信结束。

读和写数据

除了基本的读写，I2C通信更常用的是复合模式。该过程中有两次起始信号S。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS找到从机后，发送一段数据，这段数据通常用于表示该设备内部的寄存器或存储器地址；在第二次传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通信告诉从机读写地址，第二次才是读写的实际内容。

I2C的开始与停止

当SCL为高电平时：

SDA下降沿 -> 开始信号S
SDA上升沿 -> 停止信号P

OLED.c中以下代码模拟了I2C通信的开始与停止：

/** * @brief I2C开始 * @param 无 * @retval 无 */voidOLED_I2C_Start(void){// 设置SCL和SDA高电平OLED_W_SDA(1);OLED_W_SCL(1);// SDA下降沿启动I2COLED_W_SDA(0);// 拉低SCL准备开始数据传输OLED_W_SCL(0);}/** * @brief I2C停止 * @param 无 * @retval 无 */voidOLED_I2C_Stop(void){OLED_W_SDA(0);OLED_W_SCL(1);OLED_W_SDA(1);}

数据有效性

I2C使用SDA信号线来传输数据，SCL信号线进行数据同步。在每一个SCL周期中，从SDA上读写一位数据。由于SCL高电平时SDA的变化会被认为是开始信号S或结束信号P，因此在数据传输过程中SDA的变化只能发生在SCL低电平时期；数据的读写发生在SCL高电平时期。也就是说：在数据传输过程中，SCL为高电平说明此时SDA有效，进行读写；SCL为低电平说明SDA无效，此时SDA可切换。

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

在主机发起通信时，发送一个"从机地址+读/写"信号，从机地址SLAVE_ADDRESS可以为7位或10位，实际应用中7位地址较多。

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。数据接收方在收到一个字节的数据或地址时，如果希望对方继续发送，就需要向对方“应答”，发送方会继续发送数据；如果希望结束数据传输，就需要向对方"非应答"，发送发收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

什么是“软件模拟I2C”

不使用STM32自带的I2C外设，而是通过普通GPIO手动控制SCL和SDA。上面的实验中将SCL接在PB8，SDA接在PB9，通过控制PB8和PB9的高低电平控制I2C通信的时序。

软件模拟I2C的好处是灵活，可以将SCL和SDA接在众多GPIO口，然后在驱动代码里调整引脚即可。

坏处是通信时CPU要一直占用，每发送一个bit都要执行很多指令，CPU占用率高。

什么是“硬件I2C”

STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来， CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

实现硬件I2C

整体思路：修改OLED.c中以下函数

voidOLED_I2C_Init(void)voidOLED_I2C_Start(void)voidOLED_I2C_Stop(void)voidOLED_I2C_SendByte(uint8_tByte)voidOLED_WriteCommand(uint8_tCommand)voidOLED_WriteData(uint8_tData)

修改void OLED_I2C_Init(void)

/*初始化引脚和I2C1*/voidOLED_I2C_Init(void){// STM32F103的I2C1默认引脚为PB6，PB7// 设置PB6，PB7为复用开漏输出RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_OD;// 复用开漏输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);// 初始化I2C1// 开启I2C1时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1,ENABLE);I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Ack=I2C_Ack_Enable;I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress=I2C_AcknowledgedAddress_7bit;I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed=100000;I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle=I2C_DutyCycle_2;I2C_InitStructure.I2C_Mode=I2C_Mode_I2C;I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1=0x00;I2C_Init(I2C1,&I2C_InitStructure);I2C_Cmd(I2C1,ENABLE);}

实现一个OLED_I2C_WriteByte()，向OLED发送一个控制字节和一个数据字节，方便简化void OLED_WriteCommand(uint8_t Command)和void OLED_WriteData(uint8_t Data)

voidOLED_I2C_WriteByte(uint8_tControlByte,uint8_tDataByte){I2C_GenerateSTART(I2C1,ENABLE);while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)!=SUCCESS);/* OLED 地址：0x3C 左移 1 位后是 0x78 */I2C_Send7bitAddress(I2C1,0x78,I2C_Direction_Transmitter);while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)!=SUCCESS);// I2C1向外设输出控制字I2C_SendData(I2C1,ControlByte);while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)!=SUCCESS);// I2C1向外设输出数据字I2C_SendData(I2C1,DataByte);while(I2C_CheckEvent(I2C1,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)!=SUCCESS);I2C_GenerateSTOP(I2C1,ENABLE);}

修改OLED_WriteCommand()，OLED_WriteData()

voidOLED_WriteCommand(uint8_tCommand){OLED_I2C_WriteByte(0x00,Command);}voidOLED_WriteData(uint8_tData){OLED_I2C_WriteByte(0x40,Data);}

由于Proteus软件自身原因，无法实现硬件I2C仿真。连接物理器件进行实验，OLED可以正确输出。

为什么SCL和SDA设置为“复用开漏”模式？

I2C是半双工通信，SDA/SCL采用开漏结构，本质是“开漏输出+输入采样”同时存在，通过上拉电阻实现高电平，由设备控制是否拉低总线，同时各个设备都实时监听总线。

I2C必须使用开漏输出(Open-Drain)，是为了确保“多个设备可以安全地共享总线”。

I2C通信时多个设备共用SDA和SCL，如果设置为推挽输出模式，当多个设备同时访问SDA时，可能出现一个上拉一个下拉，导致总线竞争，出现短路。而开漏输出只能设备只能选择下拉或释放，不会出现短路情况。

为什么开启AFIO时钟？

// 开启AFIO时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

AFIO(Alternate Function I/O，复用功能I/O)主要负责引脚复用映射(引脚重映射)，外部中断线映射，调试接口配置。简单理解理解为：AFIO负责管理引脚到底给哪个外设使用。

这段代码原来在OLED_I2C_Init()中，但由于实现硬件I2C时使用的时PB6和PB7，这两个引脚是STM32F103的默认I2C1引脚，因此不需要进行引脚重映射，使能AFIO时钟是不必要的。

初始化I2C时各参数的选择

I2C初始化结构体：

typedefstruct{uint32_tI2C_ClockSpeed;/*!< 设置SCL时钟频率，此值要低于400000*/uint16_tI2C_Mode;/*!< 指定工作模式，可选I2C模式及SMBUS模式 */uint16_tI2C_DutyCycle;/*指定时钟占空比，可选low/high = 2:1及16:9模式*/uint16_tI2C_OwnAddress1;/*!< 指定自身的I2C设备地址 */uint16_tI2C_Ack;/*!< 使能或关闭响应(一般都要使能) */uint16_tI2C_AcknowledgedAddress;/*!< 指定地址的长度，可为7位及10位 */}I2C_InitTypeDef;