STM32基于IIC协议的OLED模块的使用
前言
一、项目涉及的内容
项目简介
二、模块实操
1. IIC模块
1.1 IIC协议格式
1.2 开始信号与停止信号
1.3 写数据
1.3.1 硬件IIC代码编写
1.3.2 软件模拟IIC代码编写
2. OLED板块
前言
本篇文章对使用IIC协议操作OLED屏幕进行了总结。
一、项目涉及的内容
本项实验的硬件组成有STM32F103C8T6开发板、OLED模块（0.96寸4针IIC接口OLED显示屏），设计到的软件模块有GPIO、IIC、系统定时器SysTick，接下来对这些主要模块进行讲解，回顾项目的重点，希望大家也能有所收获。
项目简介
通过IIC进行数据传输，操控OLED屏幕显示文字、图像。
二、模块实操
1. IIC模块
IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 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设备。一个 I2C 总线只需要使用两条总线线路就可以进行通讯，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线SDA即用来表示数据，时钟线SCL用于数据收发同步。SCL由主机产生，SDA由主机或者从机产生。
I2C是同步串行通信，同时它属于半双工，也就是说同一时间SDA只能由一个设备发送信号。IIC是以字节的方式进行传输的，每次传输8位（一个字节）。
接口是通过SCL与SDA连接到IIC总线上的，接口可以下述4种模式中的一种运行：
● 从发送器模式
● 从接收器模式
● 主发送器模式
● 主接收器模式
模块默认地工作于从模式。接口在生成起始条件后自动地从从模式切换到主模式；当仲裁丢
失（两个及以上的主设备要同时通信时的优先级判定）或产生停止信号时，则从主模式切换到从模式。主模式时， I2C接口启动数据传输并产生时钟信号。串行数据传输总是以起始条件开始并以停止条件结束。
1.1 IIC协议格式
IIC的通讯方式简单概括一下就是：
- 主机产生开始信号，跟在起始条件后的1或2个字节是地址(7位模式为1个字节， 10位模式为2个字节)，字节的最后一位确定读/写。从机I2C接口能识别它自己的地址(7位或10位)和广播呼叫地址，I2C中与从机地址相同的从机开始与主机进行通讯。
- 第二个字节传送从机寄存器地址，也就是我们要往哪个地址传输内容，分为数据寄存器和命令寄存器两种，跟名字一样传输到对应寄存器表示要传输数据/命令。
- 第三个字节开始才是传送给从机数据看命令是多少或者数据是多少，主机每发送完一
个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，
这个 N 没有大小限制。
图片来源：零死角玩转 STM32F103—霸道>>>第24章 I2C—读写EEPROM>>>图 24-4 I2C 通讯复合格式
1.2 开始信号与停止信号
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答
信号。
开始信号： SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，
表示已收到数据。 CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号， CPU 接
收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为
受控单元出现故障。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号可以不要。
图片来源：STM32F1xx中文参考手册>>>24 I2C接口>>>24.3 I2C功能描述>>>24.3.1 模式选择
IIC通讯中，数据和地址都是按8位/字节进行传输，高位在前。跟在起始条件后的1或2个字节是地址(7位模式为1个字节， 10位模式为2个字节)。地址只在主模式发送。我们选择的是7位地址模式，可以看到我们发送起始信号之后，在一个字节传输的8个时钟后的第9个时钟期间，接收器必须回送一个应答位(ACK)给发送器。
1.3 写数据
IIC通讯有软件的方式和硬件的方式两种，软件方式引脚定义会更灵活，硬件方式引脚是固定的，但通讯的效率会更高一些。
1.3.1 硬件IIC代码编写
STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议，只要配置好这个外设，它就会自动根据协议的要求产生通讯信号，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。
stm32F1系列的硬件I2C外设默认情况下使用PB6和PB7两个引脚。
图片来源：STM32F1xx中文参考手册 >>> 8.3.9 I2C1 复用功能重映射
我们分别配置GPIO口与I2C外设的结构体成员，然后调用库函数GPIO_Init()与 I2C_Init() 把结构体的配置写入到寄存器中。
//硬件IIC初始化配置
void I2C_Configuration(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE); //PB6 --SCL; PB7 --SDAGPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;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GPIO配置I2C_DeInit( I2C1); //复位初始化IIC的配置I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; //使能响应I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; //指定地址长度，可为7或10I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 400000; //设置SCL时钟频率，400kHzI2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C; //指定工作模式为IIC，可选IIC模式及SMBUS模式I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0X10; //自身的IIC设备地址I2C_Init( I2C1, &I2C_InitStructure); //初始化IIC外设配置I2C_Cmd( I2C1, ENABLE); //使能IIC外设
}IIC主机发送符合协议内容的数据出去之后，IIC外设会产生相应的时间EVx，也就是IIC外设的相关寄存器会自动置0或置1，我们只要去读取对应的寄存器就可以确定事件是否发生。
图片来源：STM32F1xx中文参考手册>>>24 I2C接口>>>24.3.1 模式选择>>>图245 主发送器传送序列图
图片来源：STM32F1xx中文参考手册>>>24 I2C接口>>>24.3.3 I2C主模式>>>图242 I2C的功能框图
我们要发送数据，要做的有以下几件事情：
- 先检查IIC总线是否有被其他的主机使用
- 如果IIC总线处于空闲状态，我们就使用库函数I2C_GenerateSTART()产生IIC起始信号
- 发送从机地址
- 发送寄存器地址，确定是要输入命令还是数据内容
- 往命令/数据寄存器发送数据内容
- 关闭IIC总线，让IIC总线重新进入空闲状态等待被主机激活
其中除了一开始检查IIC总线是否处于繁忙状态外，每一件事情我们都要去检测对应的EVx事件是否发生，等待每一个事情触发事件后我们继续进行下一步，检测的函数以及对应的事件都已经在文件stm32f10x_i2c.h与stm32f10x_i2c.c中定义好了。
//硬件IIC写字节
void I2C_WriteByte(uint8_t addr, uint8_t data)
{//先检查I2C总线是否繁忙while( I2C_GetFlagStatus( I2C1, I2C_FLAG_BUSY)); //开启I2C1I2C_GenerateSTART( I2C1, ENABLE); while( !I2C_CheckEvent( I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); //检查是否应答，等待触发EV5//发送器件地址I2C_Send7bitAddress( I2C1, Slave_Address, I2C_Direction_Transmitter); while( !I2C_CheckEvent( I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); //等待触发EV6//发送寄存器地址I2C_SendData( I2C1, addr); while( !I2C_CheckEvent( I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING)); //等待触发EV8//发送数据I2C_SendData( I2C1, data); while( !I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) ); //等待触发EV8_2//关闭I2C1总线I2C_GenerateSTOP( I2C1, ENABLE);
}1.3.2 软件模拟IIC代码编写
我们也可以直接控制STM32的两个GPIO引脚分别用作SCL及SDA，然后按照上述信号的时序要求，遵循通讯协议，控制引脚的输出（如果是接收数据则是读取SDA电平），就可以实现IIC通讯。直接控制 GPIO 引脚电平产生通讯时序，由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，这种方式称之为“软件模拟协议”方式。
我们进行初始化配置的时候，就不需要配置IIC外设了，只需要对GPIO口进行配置就可以了。
//软件模拟IIC协议初始化
void OLED_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//PB0 --SCL; PB1 --SDA//I2C支持多个主设备与多个从设备连接在同一根总线上，如果不开漏输出，会出现短路现象GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init( GPIOB, &GPIO_InitStructure);OLED_SCLK_Set(); //初始化时钟总线高电平OLED_SDIN_Set(); 初始化总线高电平
}软件模拟IIC时序的话，就要按照IIC协议规定的方式严格执行控制引脚的输出。
图片来源：STM32F1xx中文参考手册>>>24 I2C接口>>>24.3 I2C功能描述>>>24.3.1 模式选择
//模拟I2C起始信号
static void OLED_IIC_Start(void)
{OLED_SCLK_Set(); //时钟总线高电平OLED_SDIN_Set(); //数据总线高电平us_delay(1);OLED_SDIN_Clr();us_delay(1);OLED_SCLK_Clr();us_delay(1);
}//模拟I2C结束信号
static void OLED_IIC_Stop(void)
{OLED_SDIN_Clr(); //数据总线低电平us_delay(1);OLED_SCLK_Set(); //时钟总线高电平us_delay(1);OLED_SDIN_Set();us_delay(1);
}//模拟I2C读取从机应答信号
static unsigned char IIC_Wait_Ack(void)
{unsigned char ack;OLED_SCLK_Clr(); //时钟总线低电平us_delay(1);OLED_SDIN_Set(); //数据总线高电平us_delay(1); OLED_SCLK_Set(); //时钟总线高电平us_delay(1);if(OLED_READ_SDIN()) //无应答{ack = IIC_NO_ACK;}else{ack = IIC_ACK;} OLED_SCLK_Clr(); //时钟线置低us_delay(1); return ack;
}传输时， 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。传输数据的时候，将SCL置低，然后设置SDA总线对应的引脚电平为高/低，SDA电平确定后再讲SCL置高，将8个位由高到低依次发送出去。
//IIC传输一个字节，传输时先从高位开始
static void Write_IIC_Byte(unsigned char IIC_Byte)
{unsigned char i; //定义变量for(i=0;i<8;i++){OLED_SCLK_Clr(); //时钟线置低us_delay(1);if(IIC_Byte & 0x80) //读取最高位OLED_SDIN_Set(); //最高位为1elseOLED_SDIN_Clr(); //最高位为0us_delay(1);OLED_SCLK_Set(); //时钟线置高，产生上升沿把数据送出去us_delay(1);IIC_Byte <<= 1; //数据左移一位}OLED_SCLK_Clr(); //时钟线置低us_delay(1);IIC_Wait_Ack(); //从机等待（这边应该是要监测返回值是否正确，当不应答时重新进行连接或者暂停传输数据）
}
2. OLED板块
我们用的0.96寸OLED显示屏芯片是SSD1306，这里我们将OLED屏幕作为从机，数据和应答都是通过SDA发送的，SSD1306的IIC通讯接口的数据总线是由SDAout和SDAin输入组成的，SDAin和SDAout绑定到了一起作为SDA，SDAout引脚可以不连接，当不连接时，应答信号将会被IIC总线忽略。
当主机通过开始条件初始化IIC通讯，并且广播的从机地址与我们要接收数据的从机地址相同时，发起开始信号的主机与从机双方将建立通讯，控制字节或数据字节开始通过SDA传输。
数据位的解读是基于D/C#位引脚的输入，如果 D/C#引脚是高，D[7:0]就被解读为写到图像显示数据 RAM（ GDDRAM）中的显示数据，GDDRAM 列地址指针将会在每次数据写之后自动加 1。
如果是低， D[7:0]的输入就被解读为一个命令。然后数据输入就会被解码并写到相关的命令
寄存器中。
GDDRAM 是一个为映射静态 RAM 保存位模式来显示。该 RAM 的大小为 128 * 64 为， RAM
分为 8 页，从 PAFE0 到 PAGE7，用于单色 128 * 64 点阵显示，如下图所示
图片来源：SSD1306-OLED驱动芯片中文手册
SSD1306 中有三种不同的内存地址模式：页地址模式，水平地址模式，垂直地址模式。我们使用页地址模式，在页地址模式下，在显示 RAM 读写之后，列地址指针自动加一。如果列地址指针达到了列的结束地址，列地址指针重置为列开始地址并且页地址指针不会改变。用户需要设置新的页
和列地址来访问下一页 RAM 内容。页地址模式下 PAGE 和列地址指针的移动模式参考下图
使用下面的步骤来定义开始 RAM 访问的位置：
1. 通过命令 B0h 到 B7h 来设置目标显示位置的页开始地址
2. 通过 00h~0Fh 来设置低开始列地址的指针
3. 通过命令 10h~1Fh 来设置高开始列地址
比如说，如果页地址设置为 B2h，低列地址是 03h 高列地址为 00h，那么就意味着开始列是
PAGE2 的 SEG3.RAM 访问指针的位置如下图所示。输出数据字节将写到 RAM 列 3 的位置。
OLED屏幕的初始化代码用到的指令都是芯片手册上有固定的格式，厂家一般会提供初始化代码，格式略有不同，这部分就不贴出来了。
下边代码分别是设置屏幕显示的位置、显示字符、显示字符串、显示中文、显示图片
- 设置图像显示的起点行、列
//设置数据写入的起始行，列
//x：列的起始低地址与起始高地址
//y：起始页地址 0-7
void OLED_Set_Pos(unsigned char x, unsigned char y)
{OLED_WR_Byte( 0xb0+y, OLED_CMD); //写入页地址OLED_WR_Byte( x&0x0f, OLED_CMD); //写入列的地址，低半个字节OLED_WR_Byte( (x&0xf0)>>4 | 0x10, OLED_CMD); //写入列地址，高半个字节
}- 设置OLED屏幕显示ASCII码字符，有8*16与6*8两种字符大小
//显示字符
void OLED_ShowChar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char chr)
{unsigned char j = 0;chr = chr - ' '; //获取字符的偏移量if( x >= Max_Column)//让x限制在128列内x=0; if( SIZE == 16) //字符8*16（高度是16，所以要分为两个上下两部分来发送）{ OLED_Set_Pos(x,y); //上半段for(j=0; j<8; j++){OLED_WR_Byte( F8X16[chr*16+j],OLED_DAT);} OLED_Set_Pos(x,y+1); //下半段for(j=0; j<8; j++){OLED_WR_Byte( F8X16[chr*16+j+8],OLED_DAT);} }else if( SIZE == 6) //字符6*8{OLED_Set_Pos(x,y);for(j=0; j<6; j++)OLED_WR_Byte( F6x8[chr*8][j],OLED_DAT);} } - 设置OLED屏幕显示字符串
//显示字符串
void OLED_ShowString(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *chr)
{unsigned char j=0;while(chr[j] != '\0') //判断是不是最后一个字符{if(SIZE == 16){if( x >= Max_Column){x=0;y=y+2;} OLED_ShowChar(x,y,chr[j]); //显示字符x=x+8; //一个字符占8列}else if(SIZE == 6){if( x >= Max_Column){x=0;y=y+1;}OLED_ShowChar(x,y,chr[j]); //显示字符 x=x+6; //一个字符占6列 }j++; //下一个字符}}
- 设置OLED屏幕显示中文字体
//显示文字
void OLED_ShowChinese(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char list)
{unsigned char i=0;OLED_Set_Pos(x, y); //中文字体上半部分for(i=0;i<16;i++){OLED_WR_Byte( F16x16[list*32+i], OLED_DAT); //一个字体占用了16+16个字节，所以是list乘以32，下半部分就再加上16}OLED_Set_Pos(x,y+1); //中文字体下半部分for(i=0;i<16;i++){OLED_WR_Byte( F16x16[list*32+16+i], OLED_DAT);}
}- 设置OLED屏幕显示bmp格式图像
//显示图片
void OLED_DrawBMP(unsigned char x0, unsigned char y0, unsigned char x1, unsigned char y1, unsigned char BMP[])
{unsigned int j =0;unsigned char x,y;if(y1%8 == 0)y = y1/8;elsey = y1/8 +1;for(y=y0;y<y1;y++){OLED_SetPos(x0,y); for(x=x0;x<x1;x++){WriteDat(BMP[j++]);}}
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