I2C的基本用法

原创 于 2025-08-07 21:10:46 发布 · 1.3k 阅读 · 41 ·
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I2C通信

1、I2C通信协议

1.1 概述

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线。共包含两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）。属于同步通信，支持半双工。带数据应答。支持总线挂载多设备可以支持一主多从和多住多从模式。本文主要介绍一主多从，读写一个字节的情况。

1.2 硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起。
在这里插入图片描述
设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式。各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。当设备输出低电平时，总线上的电位被拉低。输出高电平时，设备的IO口处于高组态，总线上的电位被外部电路上拉至高电位。
开漏输出只有驱动低电平的能力，无法驱动高电平。这能够有效避免总线上一个设备输出高电平，一个输出低电平时导致短路的情况。
在这里插入图片描述

1.3 I2C时序

主机对SCL有绝对的掌控权，可以决定是否释放SDA。谁发送数据，谁占用SDA。

1.3.1 I2C时序基本单元

空闲状态：在I2C总线没有数据收发的情况下，SCL和SDA都处于高电位（由外接的上拉电阻驱动，IO口输出1，在开漏模式下位高阻态）。
起始条件：在SCL高电平持续期间，SDA产生下降沿（高电位到低电位的跳变）
结束条件：在SCL高电平持续期间，SDA产生上升沿（低电位到高电位的跳变）
I2C的起始条件和结束条件
发送一个字节：SCL低电平，主机通过SDA发送一位数据，SCL高电平，从机读取一位数据。循环八次。高位先行。不允许在SCL高电平期间去改变SDA的电位。

接收一个字节：SCL低电平，从机通过SDA发送一位数据，SCL高电平，主机读取一位数据。循环八次。高位先行。不允许在SCL高电平期间去改变SDA的电位。（主机接收数据前，需要释放SDA的控制权）
发送一个字节
应答的接收和发送：数据接收方需要在接收到每个字节数据后发送应答位。数据0表示应答，数据1表示非应答。谁接收数据，谁发送应答位。

在这里插入图片描述

1.3.1 I2C时序

（1）指定地址写
对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）
在这里插入图片描述
①主机发送起始信号
②主机发送指定设备的地址码（7位）+ 写（0），主机释放SDA
③从机发送应答位0，主机接收应答
④主机发送Slave的指定地址（Reg Address），主机释放SDA
⑤从机发送应答位0，主机接收应答
⑥主机发送数据（Data），主机释放SDA
⑦从机发送应答位0，主机接收应答
…(可以循环执行⑥⑦）
⑧结束通信，主机发送停止信号。
（2）当前地址读
在这里插入图片描述
①主机发送起始信号
②主机发送指定设备的地址码（7位）+ 读（1），主机释放SDA
③从机发送应答位0，主机接收应答，
④从机占用SDA，发送数据（Data），从机机释放SDA
⑤主机发送应答位1，发送停止信号
（3）指定地址读
将上面两个时序组合起来，先发送指定地址写，来将当前地址设置为指定位置。
在这里插入图片描述
①主机发送起始信号
②主机发送指定设备的地址码（7位）+ 写（0），主机释放SDA
③从机发送应答位0，主机接收应答
④主机发送Slave的指定地址（Reg Address），主机释放SDA
⑤从机发送应答位0，主机接收应答
⑥主机发送停止信号后，发送重新开始信号
⑦主机发送指定设备的地址码（7位）+ 读（1），主机释放SDA
⑧从机发送应答位0，主机接收应答，
⑩从机占用SDA，发送数据（Data），从机机释放SDA
⑪主机发送应答位1，发送停止信号

2、软件模拟

为了实现I2C通信，可以使用软件模拟的方式。这也是实际中常用的一种方式。

#include "MyI2C.h"
#include "Delay.h"

// SCL：PB6, SDA：PB7,软件模拟可以选择任意的GPIO端口
/*
功能：对SCL的写操作
参数：BitValue（uint8_t）：发送的位数据，0/1
返回值：无
*/ 
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_6, (BitAction)BitValue);
    Delay_us(10);
}
/*
功能：对SDA的写操作
参数：BitValue（uint8_t）：发送的位数据，0/1
返回值：无
*/ 
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
    Delay_us(10);
}

/*
功能：对SDA的读操作
参数：无
返回值：BitValue（uint8_t）：接收的位数据，0/1
*/ 
// 主机对SDA的读操作
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
    uint8_t BitValue;
    BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7);
    Delay_us(10);
    return BitValue;
}

// 初始化
void MyI2C_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7);
}

// 发送起始信号
void MyI2C_Start(void)
{
    MyI2C_W_SDA(1);
    MyI2C_W_SCL(1); 
    MyI2C_W_SDA(0);
    MyI2C_W_SCL(0);
}

// 发送停止信号
void MyI2C_Stop(void)
{
    MyI2C_W_SDA(0);
    MyI2C_W_SCL(1); 
    MyI2C_W_SDA(1);
}

/*
功能：发送一个字节的数据
参数：Byte（uint8_t）：发送的字节
返回值：无
*/ 
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
    uint8_t i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80>>i));
        MyI2C_W_SCL(1);
        MyI2C_W_SCL(0);
    }
}

/*
功能：接收一个字节的数据
参数：无
返回值：Byte（uint8_t）：接收的字节
*/ 
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
    uint8_t i, Byte = 0x00;
    MyI2C_W_SDA(1);
    for( i = 0; i < 8; i++)
    {
        MyI2C_W_SCL(1);
        if ( MyI2C_R_SDA() == 1) { Byte |= (0x80 >> i);}
        MyI2C_W_SCL(0);
    }
    return Byte;
}

/*
功能：主机发送应答位
参数：应答位（uint8_t）：0表示应答，1表示非应答
返回值：无
*/ 
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
    MyI2C_W_SDA(AckBit);
    MyI2C_W_SCL(1);
    MyI2C_W_SCL(0);

}

/*
功能：主机接收应答位
参数：无
返回值：应答位（uint8_t）
*/ 
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
    uint8_t AckBit;
    MyI2C_W_SDA(1);
    MyI2C_W_SCL(1);
    AckBit = MyI2C_R_SDA();
    MyI2C_W_SCL(0);
    return AckBit;
}

以MPU6050为例，使用I2C通信实现其驱动。

#include "MPU.h"

#define MPU_ADDRESS 0xD0

/*  
功能：将数据写入到MPU指定地址
参数：  RegAddress（uint8_t）：寄存器地址；
        Data（uint8_t）：要写入的数据
返回值：无
*/
void MPU_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU_ADDRESS);
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(RegAddress);
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(Data);
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_Stop();
}

/*  
功能：  读取MPU指定地址的数据
参数：  RegAddress（uint8_t）：寄存器地址；
返回值：无
*/
uint8_t MPU_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU_ADDRESS);
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(RegAddress);
    MyI2C_ReceiveAck();

    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU_ADDRESS | 0x01);
    MyI2C_ReceiveAck();
    Data = MyI2C_ReceiveByte();
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendAck(1);
    MyI2C_Stop();

    return Data;
}
/*  
功能：  初始化，配置MPU6050
参数：  无
返回值：无
*/

void MPU_Init(void)
{
    MyI2C_Init();
    MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);
    MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);
    MPU_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x00);
    MPU_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);
    MPU_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);
    MPU_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);
}

/*  
功能：  读取MPU6050的ID
参数：  无
返回值：MPU6050_WHO_AM_I(uint8_t)寄存器中的值
*/
uint8_t MPU_GetID(void)
{
    return MPU_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}

/*  
功能：  读取MPU6050的X,Y,Z轴方向的加速度和角速度
参数：  用于接收数据的指针
返回值：
*/
void MPU_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                    int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
    uint16_t DataH, DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
    *AccX = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
    *AccY = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
    *AccZ = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
    *GyroX = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
    *GyroY = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
    *GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}

3、I2C外设

根据数据手册上的流程图，调用相应的库函数。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

#include "MPU.h"

#define MPU_ADDRESS 0xD0

void MPU_WaitEvent(I2C_TypeDef * I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
    uint32_t Timeout;
    Timeout = 10000;
    while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)
    {
        Timeout -- ;
        if (Timeout == 0)
        {
            break;
        }
    }
}


void MPU_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);

    I2C_Send7bitAddress(I2C1, MPU_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);

    I2C_SendData(I2C1, RegAddress);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING); 

    I2C_SendData(I2C1, Data);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);

    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

uint8_t MPU_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;

    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);

    I2C_Send7bitAddress(I2C1, MPU_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);

    I2C_SendData(I2C1, RegAddress);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);

    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);

    I2C_Send7bitAddress(I2C1, MPU_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);

    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

    MPU_WaitEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);
    Data = I2C_ReceiveData(I2C1);

    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);

    return Data;
}


void MPU_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_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);

    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);


    MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);
    MPU_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);
    MPU_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x00);
    MPU_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);
    MPU_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);
    MPU_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);
}

uint8_t MPU_GetID(void)
{
    return MPU_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}

void MPU_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                    int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
    uint16_t DataH, DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
    *AccX = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
    *AccY = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
    *AccZ = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
    *GyroX = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
    *GyroY = (DataH << 8) | DataL;

    DataH = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
    DataL = MPU_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
    *GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}
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