电控---IIC通信-优快云博客

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一、IIC基础概念

起源与定义
- 由飞利浦（Philips）1982年开发，全称Inter-Integrated Circuit，即集成电路间通信协议。
- 目标：实现低速、短距离、多设备间的简单通信，广泛用于嵌入式系统。
物理层特性
- 双线制：仅需两根信号线——时钟线（SCL）和数据线（SDA）。
- 开漏输出（OD）：需外接上拉电阻（通常4.7kΩ，高速场景可降至1kΩ），默认高电平，支持“线与”逻辑。
- 电压兼容性：支持1.8V、3.3V、5V等多电压域，通过电平转换电路可跨电压通信。
- 总线负载：单总线最多挂载约10-128个设备（取决于总线电容，通常≤400pF）。
- 多主多从：允许多个主设备同时控制总线，通过仲裁机制避免冲突。

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二、协议层核心机制

信号定义
- 起始信号（Start）：SCL高电平时，SDA由高变低，标志通信开始。
- 停止信号（Stop）：SCL高电平时，SDA由低变高，标志通信结束。
- 重复起始（Repeated Start）：在不发送Stop的情况下，重新发送Start信号，用于切换主从角色或改变传输方向（如主→从写切换为从→主读）。
数据传输规则
- 数据有效性：SCL高电平时，SDA必须保持稳定；SCL低电平时，SDA可改变电平。
- 字节传输：每次传输8位数据，高位在前，低位在后，后跟1位应答信号（ACK/NACK）。
  - ACK（应答）：接收方在第9个时钟周期拉低SDA，表示数据接收成功。
  - NACK（非应答）：接收方保持SDA高电平，可能因地址错误、数据溢出或主动终止传输。
寻址方式

7位地址（主流）：
- 地址范围：0x00~0x7F（128个地址），其中保留地址：
  - 0x00：通用呼叫地址（广播模式）。
  - 0x01~0x03：保留给不同用途（如SMBus警报响应）。
  - 0x7E~0x7F：保留，用户不可用。
- 实际可用地址：112个（排除16个保留地址）。
10位地址：
- 第一字节（高 7 位 + R/W 位）：
  - 固定前缀：11110（二进制，占 5 位），用于标识 10 位寻址模式。
  - 地址高位：XX（占 2 位，对应 10 位地址的最高两位，范围 00~11）。
  - 读写位（R/W）：0 表示写操作，1 表示读操作。
  - 示例：若 10 位地址为 0x123（二进制 0010010011），则第一字节为 0b1111000（0xF0），R/W 位为 0。
- 第二字节（地址低位）：
  - 完整 8 位地址（对应 10 位地址的低 8 位）。
  - 示例：上述地址的第二字节为 0x23（二进制 00100011）。

数据帧结构
- 写操作：
  Start → 从地址（7位）+ W（0） → ACK → 数据字节 → ACK → ... → Stop
- 读操作：
  Start → 从地址 + W → ACK → 寄存器地址 → ACK → Repeated Start → 从地址 + R（1） → ACK → 数据字节 → NACK（主设备终止） → Stop
- 多字节传输：从设备收到ACK后继续发送/接收数据，直到主设备发送NACK或Stop。
仲裁与时钟同步
- 仲裁机制：多主设备冲突时，SDA线电平以“线与”为准，发送低电平的主设备获胜，发送高电平的设备检测到冲突后退出。
- 时钟同步：通过“线与”使所有主设备的SCL保持低电平至最长的低电平时间，高电平时间由最短的决定，确保多主设备时钟一致。

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三、时序与速度模式

时序参数
- 建立时间（tSU:STA）：Start信号前，SDA高电平保持时间（标准模式≥4.7μs）。
- 保持时间（tHD:STA）：Start信号后，SDA低电平保持时间（标准模式≥4μs）。
- 时钟频率：
  - 标准模式（SM）：100kHz，适用于低速设备（如EEPROM）。
  - 快速模式（FM）：400kHz，通用场景（如传感器）。
  - 高速模式（FM+）：3.4MHz，需器件支持（如高速ADC）。
  - 超高速模式（HS）：5MHz（仅主机发送，从机不响应，用于快速数据下载）。
上拉电阻计算
- 公式：
- 目标：确保SDA上升时间符合时序要求，同时避免过大电流（通常取2.2kΩ~10kΩ）。

四、设备角色与分类

设备类型
- 主设备：生成SCL时钟，发起通信（如MCU）。
- 从设备：响应主设备寻址，接收或发送数据（如EEPROM、传感器）。
- 复合设备：可在主/从角色间切换（如某些FPGA）。
从设备地址
- 固定部分：由器件厂商分配（如EEPROM的前4位固定为1010）。
- 可编程部分：通过硬件引脚（A0、A1）或软件配置，避免地址冲突。

五、典型应用场景

存储设备：EEPROM（如24C02）、FRAM。
传感器：温度传感器（如DS1621）、加速度计（如MMA8452Q）、陀螺仪。
外设控制：LCD驱动（如SSD1306）、ADC/DAC（如PCF8591）、键盘扫描芯片（如TCA8418）。
系统管理：SMBus（电源管理，如电池监控）、PMBus（功率器件配置）。

六、优缺点与注意事项

优点
- 接线简单，节省IO口。
- 支持多主多从，地址空间灵活（7/10位）。
- 跨电压域通信方便（通过上拉电阻）。
缺点
- 速度受限（最高3.4MHz，HS模式5MHz但功能有限），低于SPI（通常几十MHz）。
- 总线负载敏感，长距离或多设备时需考虑电容匹配。
- 仲裁机制复杂，软件实现需处理冲突。
常见问题
- 地址冲突：确保每个从设备地址唯一（通过硬件引脚或软件配置）。
- ACK缺失：检查从设备是否上电、地址正确，或总线是否被拉低（短路）。
- 时序错误：高速模式下需严格匹配SCL/SDA时序，避免使用软件模拟（推荐硬件I²C外设）。
- 总线锁定：若SDA/SCL持续低电平，可通过复位主设备、断开电源或强制释放总线（上拉电阻作用）。

七、扩展与变种

SMBus（系统管理总线）
- IIC的子集，用于低速系统管理（如主板温度监控），定义了更严格的时序和协议（如超时机制）。
PMBus（电源管理总线）
- 基于IIC，专门用于电源设备通信（如电源模块配置、状态读取）。
软件IIC vs 硬件IIC
- 软件模拟：通过GPIO模拟时序，灵活适配非标准时序，但速度慢（受MCU主频限制），适合低速设备。
- 硬件外设：利用芯片内置I²C控制器，自动处理时序和ACK/NACK，效率高但需配置寄存器，兼容性依赖芯片实现。

八、实战建议

硬件设计
- 短距离走线（≤10cm），避免高速模式下的信号反射。
- 上拉电阻靠近从设备，或在总线末端并联电容（≤400pF）。
软件实现
- 主设备需处理ACK/NACK，超时重试（通常3次）。
- 多字节读写时，注意从设备是否支持自动地址递增（如EEPROM页写入）。
调试工具
- 逻辑分析仪（如Saleae）抓取SCL/SDA波形，分析时序错误。
- 万用表测量总线电压，确认上拉电阻是否正常工作。

代码示例

这是一个基于STM32的IIC通信示例代码，这里以STM32Cube HAL库为例，实现STM32作为主设备向从设备发送数据并读取数据的功能。

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 定义I2C句柄
I2C_HandleTypeDef hi2c1;

// 从设备地址
#define SLAVE_ADDRESS 0x48

// 系统时钟配置
void SystemClock_Config(void);
// 外设初始化
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();

  uint8_t tx_data = 0x10; // 要发送的数据
  uint8_t rx_data;        // 接收的数据

  while (1)
  {
    // 向从设备发送数据
    if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS << 1, &tx_data, 1, 100) != HAL_OK)
    {
      // 处理发送错误
      Error_Handler();
    }

    // 从从设备读取数据
    if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS << 1, &rx_data, 1, 100) != HAL_OK)
    {
      // 处理接收错误
      Error_Handler();
    }

    // 可以在这里添加对接收数据的处理逻辑

    HAL_Delay(1000);
  }
}

// 系统时钟配置
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** 初始化RCC振荡器 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** 初始化RCC时钟 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

// I2C1初始化
static void MX_I2C1_Init(void)
{
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

// GPIO初始化
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
}

// 错误处理函数
void Error_Handler(void)
{
  while(1)
  {
  }
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  // 可以自行在这里添加错误处理逻辑
  while(1)
  {
  }
}
#endif

代码说明：

系统初始化：在main函数里，首先对HAL库、系统时钟、GPIO和I²C进行初始化操作。
I²C通信：借助HAL_I2C_Master_Transmit函数向从设备发送数据，利用HAL_I2C_Master_Receive函数从从设备读取数据。
错误处理：在数据发送和接收过程中，若出现错误就会调用Error_Handler函数进行处理。