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4.3.1 CTRL_REG1 (20h)控制寄存器1-采样频率和使能
4.3.2 CTRL_REG2 (21h)控制寄存器2-高通滤波器配置
4.3.3 CTRL_REG3 (22h)控制寄存器3-中断使能寄存器配置
4.3.4 CTRL_REG4 (23h)控制寄存器3-中断使能寄存器配置
计算机和嵌入式科学中有一个说法，叫做：硬件越简单，软件越复杂，硬件越复杂，软件越简单。比如前面讲到的FMSC接口，硬件特别复杂，连线非常多，而软件就很简单，只需要几个管脚进行组合，就可以读出数据。而本节要讲的I2C接口，则是相反的例子：硬件非常简单，只需要连接两根线，但是软件缺比较复杂，需要较多的时序组合，才能够形成读写操作。
1. IIC总线特点IIC总线的总体特点就是：硬件简单，软件稍微有些复杂。
1.一组I2C设备可以连接多个I2C从机，因此非常方便扩展。其中每个从机都带有这组总线中唯一地址。主机用地址来区分对不同从机的访问。
2. 一根总线只有两条线路，SCL为时钟线，所有数据都按照这个时钟进行收发，SDA为数据线，读写都从这个数据线收发；
3. 总线带有上拉电阻：当所有I2C设备空闲时，输出高阻态。由于有上拉电阻，整个总线会变为高阻态。当主机发起读写时，将SDA拉低，表示启动读写操作。
4.设备不能无限增加：每增加一个设备，总线电容值会增加，最多增加到400pF为上限；
根据这个特点，下面详细介绍总线读写过程。
1. S信号：为主机发起的开始传输信号，表示主机准备写入或者读取数据了；
2. SLAVE ADDRESS: 主机发出从地址，指明需要访问哪个设备。当某个从设备地址吻合时，这个设备被选中，其他设备将自动忽略后续信号；
3.R/W信号：如果低电平表示主机写从机，如果高电平表示主机读从机；
4. A信号：从机确定地址后，会发出A信号，确定可以接收数据。主机收到A信号后，发出DATA，写入从机；
5. DATA：收到A信号后，主机向从机发出DATA信号，DATA信号总计8位。主机每次发完DATA，都需要等待从机发出A信号；
6. P信号：数据传输停止时，主机像从机发出P信号。
当主机由从机读取数据，信号会有所不同，下面重点介绍不同部分
1. R/W信号为1，表示读信号（写信号为0）
2. DATA信号：数据信号由从设备发出，主机接收；
3. A信号：主机收到数据后，发出A信号（应答信号），表示继续接收。
4.NA信号：主机不希望发出信号时，则发出NA信号，主机收到后自动停止发送。
前面的读操作和写操作都存在一个问题，并没有提到从设备内部寄存器地址。实际上，在大多数I2C设备读写过程中，采用复合操作模式。当选中了从设备后，会先发一段DATA，这个DATA为从设备内部寄存器地址，然后再写入这个寄存器，或者从寄存器读数据。
下面详细描述这一过程，重点描述和前面不同的部分：
1. DATA: 这里的数据为主机发出的从机内部寄存器地址；然后下一个数据，才是实际写入寄存器的数据（或者由从机指定寄存器读取的数据）
2. Sr重复起始信号：
前面介绍了S信号，A信号等，下面详细介绍不同信号的波形。只有了解掌握了这些波形，我们后续才能够用软件来模拟这些波形。
空闲时，SDA和SCL都是高电平。当主机需要读写操作时，主动拉低SDA，形成起始信号；
当需要结束的时候，主机同样主动释放SDA，SDA达到高电平，形成停止信号；
SCL为高电平时，SDA数据有效（高电平为1，低电平为0）；
SCL为低电平时，SDA数据无效，主机或者从机乘着这个机会转换数据；
地址为7位，加上后面的R/W，共计8位，形成地址+读写。共计8BIT合并起来之后，看起来就是：读的地址比写的地址大1。
无论读写，当设备希望对方继续发送数据，则发送A信号，否则发送NA信号。
发送数据方完成一个BYTE数据发送后，会自动释放SDA总线，等待接收方发送A信号或者NA信号。
A信号为低电平，NA信号为高电平。
搞清楚规律后，我们就用GPIO模拟I2C波形，实现I2C读写。一般用GPIO模拟波形的方式，通常叫做软件读写。如果用配置寄存器方式实现I2C读写，则为硬件读写。
软件模拟的好处是：
1. 对GPIO没有限制：STM32F1的硬件I2C接口只有指定的GPIO才可以实现，而用软件方式，则可以用任意GPIO来实现。
2. 方便理解波形：通过软件模拟，可以非常清楚的掌握I2C读写的波形，加深对I2C理解；
3. 方便移植：同理，由于不限制GPIO，不依赖硬件，因此非常方便移植到不同的平台上；
软件模拟的缺点是：比硬件波形更加耗费CPU资源。不过，如果不是海量的I2C读写，这些资源耗费可以忽略不计。
这里采用for循环实现的软件延时，实现2us~3us左右的软件延时。
这里可能要问了：为何这里可以用软件延时，而不采用前面所说的无阻塞延时呢？
这是因为这里的延时时间非常短，仅仅为us级别，及时产生阻塞，对系统影响也不大。但是如果是真正高端的设计，比如军品的研发设计中，这样us基本的阻塞也是需要避免的。
延时函数的目的是在低电平或者高电平之后，实现对应的延时时间，实现SCL对应的方波波形。
正如前面所说，通过宏定义方式，一方面使得代码更加简单易读:I2C_SCL_1, I2C_SDA_0，这种方式非常简单易读。另一方面便于更换，例如：如果我们用到其他的MCU上，设置高低电平不再是GPIO_SetBits，而是SetBits，这个时候主要代码不用改变，只改写宏定义部分即可完成。
起始信号是：SCL高电平，SDA从高电平跳转到低电平。
上面代码中，先把SDA和SCL设置为1，然后将SDA设置为0，完成跳转。随后把SCL也设置为0，为后面创造SCL时钟做准备。
发送字节时，分为下面步骤
第一步：SDA输出数据，输出1或者0；
第二步：delay，等待信号稳定；
第三步：SCL输出高电平，便于从机这时读取数据；
第四步：delay,等待从机读完；
第五步：SCL输出低电平，从机停止读取；
第六步: delay，便于等待主机切换SDA数据；
弄清楚这6个步骤后，代码就变得非常简单了。
上面这6个步骤，和前面的6个步骤一一对应。
另外，需要注意一点：当发送完前面8个bit后，需要释放SDA总线，等待从机发出ACK或者NACK信号。如果主机收到了ACK信号，就会继续发送，如果主机收到了NACK信号，就会停止发送。下面具体看如何等待并且读取ACK
当前面8个bit 完成发送之后，SDA会释放总线，并且等待从机发出ACK或者NACK信息，具体步骤如下：
1.释放SDA总线，确保接收端可以控制SDA;
2.delay等待；
3.SCL输出高电平，用来帮助从机输出ACK信号；
4.delay等待从机输出；
5. 读取SDA信号，这个信号为从机输出；
6. SCL输出低电平，完成第9bit读取；
7. delay等待，用于启动下一个电平；
具体代码见上方。
无论是写数据还是读数据，都需要对方发送ACK信号或者NACK信号。
ACK信号是SDA在低电平情况下，创建一个SCL时钟。NACK信号是SDA在高电平的情况下，创建一个SCL时钟。
如上面代码所示：首先拉低SDA信号，等待20us后，将SCL拉高，再等待20us，再次将SCL拉低，创建了一个ACK信号。
创建NACK信号基本相同，只是把第一行代码的SDA_0修改为SDA_1即可。
I2C停止信号通知I2C总线上全部数据恢复到待机模式。在完成读写操作之后，都需要发送I2C STOP，使得I2C总线及时复位。
I2C Stop命令分为下面几个步骤：
1. SDA设置为低电平；
2. SCL设置为高电平；
3. delay保持信号稳定；
4. SDA设置为高电平；
根据上面步骤实现代码：
根据前面的介绍，我们只需要发出start，再发出从机地址， 从机就会发出Ack信号。根据这个特性，我们可以进行I2C地址检查，检查I2C总线上面从机地址是否正确。
代码实施步骤为：
1.配置I2C对应的GPIO;
2. 发送启动I2C信号；
3. 发送I2C地址。注意：I2C地址为7BIT，后面加上R/W信号，如果是1表示读，如果是0表示写；
4. 等待从机应答，如果从机有应答，说明地址正确；
5. 发送停止信号，使得设备进入待机模式；
我们在初始化时进行调用。由于I2C上面带有EEPROM，因此我们检查这个地址是否正确。
代码返回结果如图所示，说明执行地址校验正确。
通过I2C地址校验，我们可以迅速确定I2C总线已经能够基本正常工作，I2C设备已经正常启动。 在线路板调试时，I2C地址校验为重要调试手段，通过I2C地址校验，可以确定I2C设备焊接正常，供电正常，I2C时序基本正常。
由于I2C总线简单，我们常常会在I2C总线上，挂接多个设备。这时，可以通过I2C地址扫描，来检查I2C总线上挂接了多少设备，每个设备是否正常工作。
具体实现代码如上。
1. 从0开始发送Addr，如果对应Addr收到了Ack，说明地址正确，则打印其地址；
2. 如果没有收到Ack，说明地址不正确，则发送I2C停止信号，并且接着扫描下一个地址；
执行结果如下：
可以看到，扫描到了2个地址。
问题：为何这里能够扫描到两个地址？
上面代码中，扫描到了更多的地址。这是因为我们吧SHT31温湿度传感器接入了I2C总线中。要想知道如何为何SHT31温湿度传感器扫描到的地址是3个？后面如何读取温湿度数据？且继续看下去！
可以直接百度搜索。
半导小芯-芯片查询工具_芯片替代查询_数据手册查询_规格书查询_datasheet查询_IC查询
也可以到半岛小芯这样的专门网站去搜索，效率更高一些。
当然，也可以到官网查询对应的手册。
本文对应手册链接如上。
下面我们对照技术手册，完成I2C读取SHT31的温湿度数据的功能，并且进一步加深对I2C驱动功能的理解，学一个接口，就学好一个接口，用好一个接口。
访问SHT3X时序如上图所示 ，看起来比较复杂，需要进一步详细解读。
第一部分为发送读命令，具体步骤如下。
1.发送start信号；
2. 发送地址，附加写信号，因此为0X44<<1+0; 其中0x44为地址，左移1位形成前面7bit， 0表示写入操作；
3.等待ACK信号；
4.发出高位信号（MSB），方法是：将高位信号左移8BIT；
5.发出低位信号；
6.等待ACK;
7.发出停止信号
SHT3X接收到读命令后，就开始测量动作，进行温度测量。
读命令对应的代码如上，是手册里面的复刻，将代码和手册放在一起，更加可以加深对I2C总线操作的理解。
经过上面的操作后，就开始读取测量结果。
1.发送i2c_start信号启动读取；
2. 发送i2c地址，注意这里地址为0X44<<8+1；由于是读信号，因此末尾加1；
3.信号到这里有两个分支：简单的模式为时钟延展模式，复杂的模式为非时钟延展模式；我们工作在时钟延展模式下；
4. 读取信号，并发出ACK，让从机继续发送；如此循环，读取共计6byte;
5. 读取最后一个字节后，发送NACK；
6.最后发送i2c_stop，停止总线；
根据上面读数据的时序，我们就可以写出对应代码。
其中需要注意，在完成6个字节读取后，发出NACK信号，停止读取。
上图中的Clock Stretching Enable就是指使能了时钟延展功能。
首先，简单介绍一下什么是时钟延展。时钟延展是指从机通过将SCL拉低以暂停数据传输的一个过程，在暂停过程中，从机可以有更多的时间处理接收到的数据，或者准备即将发送的数据。在相关的处理和准备完成之后，将交出SCL的控制权，主机继续控制SCL的节奏进行数据的收发。换句话说，时钟延展是从机跟不上主机的速度，让主机等等它的操作。
时钟延展通常分为两种，一种是字节级(byte)的时钟延展，一种是比特级（bit）的时钟延展。字节级的时钟延展是按照字节为单位开展，每一个字节收发结束之后启动。比特级则是每个数据bit都进行延展，强行让master慢下来。
因此，在上面波形中，主机收到ACK之后，从机会把SCL拉低。然后主机即可直接读取对应信号。
当我们读取SHT3X时，发送的命令字为0X2C06，这个命令字是什么含义呢？上表给出了详细解读。
其中2C对应了使能时钟延展功能。24对应了关闭时钟延展功能。
06对应了高重复性，也就是能够较快速度重复读数。10对应了低重复性，也就是较慢速度重复读数。
重复性主要影响功耗，在需要低功耗设计的场合，需要降低重复性，从而降低传感器功耗。
CRC编码又叫做循环冗余编码，如果需要进一步理解循环冗余编码的工作原理，可以查看下面链接。
读到的数据为6个BYTE，我们需要经过转换，才能够把这6个BYTE数据转换为温湿度数据。
湿度转换数据为：读数值*100/65536; 温度值转换数据为：-45+175 * 读数值/65535;
换成代码之后，代码如上。注意：为了方便计算，我们把计算值全部都放大十倍，这样方便用整数来进行表达。
对于专业的温湿度测量设备来说，需要在短时间内，连续多次读取温湿度数据。例如：在1S内连续读取10次温湿度数据，在这种情况下，就需要开启周期读数功能。
LIS2DH12TR.pdf (semiee.com)
https://www.semiee.com/file/SENSOR/LIS2DH12TR.pdf
加速度传感器使用非常广泛。我们常用的加速度传感器芯片为电容式MEMS传感器。其中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源。
在设计使用加速传感器时，一般需要在PCB上，指定封装和X Y Z轴朝向。
参考原理图如图所示，LIS2DH12数字接口支持I2C接口和SPI接口。SPI接口速度会更快一些。我们这里重点讲解I2C接口。
其中注意，芯片包含了VDDIO和VDD两个引脚，VDDIO用来给IO供电。如果IO电平和VDD电平不一致，则可以分开供电。手册上可以看到，典型电压2.5V，最大电压3.6V。因此我们使用在3.3V是完全没有问题的。
如上图表示了写入单个字节到I2C设备的方法。
1.发起start信号；
2. 写入设备I2C地址，这里地址为0X32 （如果是读取则需要加1作为读数标记）；
3.等待设备发出ACK；
4.发出需要操作的寄存器地址（SUB子地址）；
5.等待设备发出ACK;
6. 发出需要写入的DATA字节；
7. 等待设备发出ACK；
8. 发出停止字节；
上面共计8个步骤，即可完成单个字节写入。
按照上面步骤，完成代码如上。
如上图表示了读取单个字节的方法。
1.发起start信号；
2. 写入设备I2C地址，这里地址为0X32 （这里还是写入标记，因为要写入寄存器地址）；
3.等待设备发出ACK；
4.发出需要操作的寄存器地址（SUB子地址）
5.等待设备发出ACK;
6. 发出start信号；
7. 发出设备I2C地址，这里地址为0X33（这里为读出标记）；
8. 等待设备发出ACK；
9. 读取I2C总线数据；
10. 设备发出NMAK，通知从设备读取成功；
11. 发出stop信号，停止总线；
上面共计8个步骤，即可完成单个字节读取功能。读取时，前面1~5步骤和写入完全相同，从步骤6开始，则按照读取方式发送指令。
另外，SAK和MAK都是指Ack命令，SAK表示从机发出Ack， Mak表示主机发出Ack命令。
完成读写函数后，就可以向传感器写入数据，或者从传感器读取数据了。
控制寄存器1分为两部分ODR和其他。其中ODR用来控制采样速度。en用来使能。
例如：我们把ODR设置为3，则写入采样频率为25Hz。
en寄存器则使能。LPen设置为0表示正常模式，设置为1表示低功耗模式；
Zen， Yen, Xen用来使能X Y Z方向传感器。
因此，这里配置为0x37，表示x y z使能，采样频率25Hz。
所谓高通滤波就是只允许高频信号通过而抑制低频信号。高通滤波设置一般用于检测跌倒，触碰等场景。传感器在日常情况，会收到风力，环境震动等环境因素影响，这些都属于低频振动信号。而突发振动，触碰，跌落等属于高频振动。通过设置高频滤波传感器，降低环境因素影响，使得传感器可以更好响应环境突发振动变化。
1.HPM：高通滤波模式选择：
00：正常模式；
01： 采用参考信号滤波（）
10：正常模式；
11：发生中断事件后自动复位；
2. HPCF: 截至频率选择，默认选0；
3.FDS: 内部数据选择，0表示不选择，1表示利用FIFO进行滤波，默认选0；
4. HPCLICK：0表示不选择，1表示使能滤波；
5. HP_IA2和HP_IA1: 如果设置为1，则使能中断的高通滤波。也就是说：对于低频振动，不会触发中断，仅仅对高频振动会触发中断；
中断使能寄存器用来开启或者关闭不同的中断源，当对应中断源开启后，如果触发了这个中断，就会在INT1上，输出对应的中断。
1.CLICK： 使能后，发生“点击”振动后，INT1上触发中断；
2. IA1:使能后，发生IA1行为，触发INT1上中断；
3. IA2：使能后，发生IA2行为，触发INT1上中断；
4. ZYXDA：使能后，当X Y Z上有新数据后，触发INT1上中断；
5. WTM： 使能后，当FIFO内出现水印是，触发INT1上中断；
6. OVERRUN： 使能后，当FIFO出现溢出OVERRUN后，触发INT1上中断；
1.BDU： 0表示连续更新数据，1表示读数后才会更新；这里设置为0；
2. BLE: 大小端设置，默认为0，小端模式，否则为1，大端模式（复习：小端模式中，不重要的数在低位地址，大小端判断方法：0x1234强制转换，如果取得0x34则为小端，否则为大端）
3. FS：最大加速度选择，其中00：±2g, 01：±4g, 10：±8g, 11:±16g;
4.HR：高分辨率选择，需要结合前面的LPen位，进行设置
前面LPen位设置为0，这里HR设置为1，表示12位数据输出；在不同的工作模式下功耗不同。分辨率越低，功耗越低。
4. ST: 自捡，默认为00；
5. SIM： SPI模式选择，默认0为4线SPI， 1为三线SPI；
具体详细的寄存器配置还非常多，需要在晚一些时间，专门就加速度传感器进行一节教程，详细讲解不同传感器配置，以及对应传感器数值。
为了方便验证MCU是否正常工作，在MCU初始化调试时，可以访问WHO_AM_I寄存器，读出对应的device_id，用来确认读写时序是否正常。
读取的device_id为0x33。
从28h, 2Ah, 2Ch可以读取加速度数据，这些数据为原始数据。对应的寄存器地址分别为28h,29h,2Ah, 2Bh,2Ch,2Dh。总共有6个byte数据。
sensor用了16bit来表示一个轴的值。即读取出来的原始寄存器数据为一个int16_t格式的数值。前面把x y z都配置成为12bit数据。
因此，需要把读取到的数据，右移四位，取得实际有效值。
12bit数据范围为：2^12=4096，对应取值范围为：-2048~+2048。
测量的加速度范围在23h寄存器中设置。假设我们设置范围为±2g，则2048对应数值就是2g，量化单位为：1024lsb/g， 加速度分辨率为：0.98mg/lsb。假设设置范围为±16g, 2048对应数值就是16g，量化单位为：128lsb/g，加速度分辨率为：7.8mg/lsb。
因此加速度范围为2g时，对应数值为2048，将数值转换为浮点数即可。
当加速度为4g时，对应数值还是2048，这时就需要乘以2，以获得正确的加速度值。
从寄存器得到的加速度值，需要进一步进行进行滤波，这里采用的是最常用的平均值滤波，将多次采样的数值进行平均即可获取平均值。
上面的角度计算，分别用来计算x y z三个方向的转角。
x方向转角如上图，俗称pitch
y轴旋转
z轴旋转。
pitch = 180 * atan (accelerationX/sqrt(accelerationYaccelerationY +
accelerationZaccelerationZ))/M_PI;
roll = 180 * atan (accelerationY/sqrt(accelerationXaccelerationX +
accelerationZaccelerationZ))/M_PI;
yaw = 180 * atan (accelerationZ/sqrt(accelerationXaccelerationX +
accelerationZaccelerationZ))/M_PI;
M_PI = 3.14159265358979323846
具体计算公式如上。
执行结果如上图所示！
上面内容看完之后，作何感想？如果让你从头写代码，从阅读寄存器开始，一点一点写代码，需要多久能够完成这个加速度传感器的访问和控制？你的项目是否允许你从头开始读寄存器，写寄存器，控制参数，观察结果？
这里产生另外一个问题：为何初入门的工程师，薪资只有几千块，但是工作三五年之后，一部分工程师就会涨到几万？这中间发生了什么？可以让他们的新增暴涨？
其中的一个核心点，就是代码的不断阅读和积累。
对于一个资深的工程师，拿到项目需求之后，首先会看下自己之前是否积累了相关的资料，如果没有，就会github或者CSDN上，查找是否有类似的资料，如果这两者都找不到，基本上就需要和领导汇报：目前用的传感器或者算法，全网都没有参考，需要从头开发，需要一些额外的时间。
这些日积月累的代码，文档，技术博客，就是程序员的资本，或者说知本。当程序员的代码库或者计数博客积累好了之后，开发效率可以成倍提升，这也就是程序员工作若干年之后，薪资能够成倍提升的主要原因。
但是如果开发过程中，没有及时做好代码的归类和整理，那么随着年岁的增长，工作时间逐步衰减，脑力逐步衰减，知识库却没有提升，开发效率也没有提升，这样就会面临35岁失业问题。
因此，其实程序员的职业寿命可以很长，但是核心是：
能否及时完成知本积累？
pixart-PAJ7620U2.pdf (semiee.com)
PAJ7620内置红外和光学传感器，可以识别九种动作：
它同时带有I2C接口，可以给MCU提供对应的操作反馈信息。
由于PJA7620手册非常简单，因此，下面重点讲解代码部分。
通过向PAJ7620_ID发送数据，唤醒芯片。通过读取对应的PAJ7629的数据，判断设备是否成功被唤醒，被唤醒后，读数为0x20。
初始化过程分为两部分：
1. 唤醒PAJ7620，如果唤醒失败，则直接返回；
2. 写入数组配置PAJ7620；其中配置数组主要用来初始化PAJ7620内部的光学和红外阵列；
这里就可以不断读取传感器失败的9种动作了，PAG_GET_INT_FLAG1默认为0，完成动作识别之后，输出对应动作编号。读数之后，恢复为0。
在main函数中，每隔100ms，读取PAJ7620的状态。当然，也可以在INT中断触发中，读取对应触发状态。
经过实测，PAJ7620可以准确识别1~8种动作。第九种动作Wave如何实现，目前还没有测试出来。如果你知道，请留言告知。
Goertek-SPL06-001.pdf (semiee.com)
下面讲解另外一个重要的I2C接口传感器SPL06气压传感器。
这款传感器一般用在GPS导航上，可以用作轨迹推算，坡道检测，天气预报，垂直起飞或者降落速度检测等场景中。
