STM32 I2C通信协议详解：从时序分析到实战代码

最新推荐文章于 2025-06-05 14:39:13 发布

DOMINICHZL

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分类专栏： STM32 文章标签：单片机嵌入式硬件

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一、I2C协议基础认知

I2C（Inter-Integrated Circuit）是Philips公司开发的两线式串行通信协议，广泛应用于微控制器与外设间的短距离通信。其核心优势在于仅需SDA（数据线）和SCL（时钟线）即可实现多设备组网。

1.1 物理层特性

拓扑结构：支持多主多从架构，通过地址寻址
传输速率：
- 标准模式：100Kbps
- 快速模式：400Kbps
- 高速模式：3.4Mbps
电平规范：采用开漏输出，需外接上拉电阻（典型值4.7KΩ）

二、I2C协议时序深度解析

2.1 通信时序三要素

起始条件（START）
SCL高电平时SDA出现下降沿
停止条件（STOP）
SCL高电平时SDA出现上升沿
数据有效性
数据在SCL高电平期间必须保持稳定

// 软件模拟时序示例
void I2C_Start(void) {
    SDA_HIGH();
    SCL_HIGH();
    Delay_us(5);
    SDA_LOW();  // 产生下降沿
    Delay_us(5);
    SCL_LOW();
}

void I2C_Stop(void) {
    SDA_LOW();
    SCL_HIGH();
    Delay_us(5);
    SDA_HIGH();  // 产生上升沿
    Delay_us(5);
}

2.2 完整数据传输流程

主机发送START
发送7位从机地址 + R/W位
接收从机ACK
传输数据字节（8bit）
接收ACK/NACK
循环步骤4-5直至传输完成
发送STOP

三、STM32硬件I2C配置实战

3.1 CubeMX配置步骤

选择I2C接口（如I2C1）
配置模式：
- 主机模式
- 时钟速度（100/400KHz）
- Duty Cycle（标准模式无需配置）
设置GPIO模式为复用开漏
生成工程代码

3.2 HAL库关键函数解析

// 阻塞式发送函数
HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, 
                        uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

// 带中断的接收函数
HAL_I2C_Slave_Receive_IT(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *pData, uint16_t Size);

// 内存地址读取（适用于EEPROM）
HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, 
                uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, 
                uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

四、AT24C02 EEPROM驱动实例

4.1 硬件连接

STM32引脚	AT24C02引脚
PB6(SCL)	SCL
PB7(SDA)	SDA
GND	A0-A2
3.3V	VCC

4.2 读写函数实现

#define EEPROM_ADDR 0xA0  // 1010 000 + R/W

// 写入单字节数据
void EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data) {
    uint8_t buffer[2] = {addr >> 8, addr & 0xFF};
    buffer[1] = data;
    
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, EEPROM_ADDR, buffer, 2, 100);
    HAL_Delay(5);  // 等待写入完成
}

// 读取单字节数据
uint8_t EEPROM_ReadByte(uint16_t addr) {
    uint8_t data;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, EEPROM_ADDR, addr, 
                    I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);
    return data;
}

五、常见问题排查指南

5.1 通信失败常见原因

无ACK响应
- 检查从机地址是否正确（含R/W位）
- 确认从机供电正常
- 测量SCL/SDA电压是否达标
数据错位
- 调整I2C时钟频率（降低速率测试）
- 检查上拉电阻阻值（建议2.2K-10KΩ）
HAL库卡死
- 添加超时处理机制
- 启用I2C中断/DMA

// 错误处理回调函数示例
void HAL_I2C_ErrorCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
    if(hi2c->ErrorCode & HAL_I2C_ERROR_AF) {
        printf("ACK Failure Detected!\r\n");
    }
    // 其他错误处理...
}