嵌入式笔记：常用接口之详解I2C总线

最新推荐文章于 2025-04-24 12:29:25 发布

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分类专栏： STM32 文章标签：网络单片机

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I2C (Inter-Integrated Circuit)

1. 简介

I2C (也称为 IIC) 是一种同步、多主、低速的串行通信协议，只需要两根线即可实现设备之间的数据传输，广泛应用于各种嵌入式设备中，这点在下文原理部分会进一步介绍。

2. 原理与特性

1. 双线通信
I2C 总线由两根信号线组成：

SCL：即时钟线，由主设备（Master）产生时钟信号，用于同步数据传输。
SDA：即数据线，用于主设备与从设备（Slave）之间的双向数据传输。
2. 主从结构
主设备（Master）：控制总线的时钟和启动/停止数据传输。
从设备（Slave）：响应主设备的请求。

I2C 支持主设备和从设备之间的双向数据传输。
3. 多设备通信
I2C 总线支持多个主设备和从设备连接到同一条总线，通过地址区分不同的从设备。

4. 硬件连接
I2C 总线通过上拉电阻连接到电源，且上拉电阻通常为 4.7 kΩ，确保空闲状态下 SDA 和 SCL 线为高电平，所有设备的 SDA 和 SCL 线分别连接到同一条总线。

3. I2C 特性

1. 多主设备：I2C 支持多个主设备，但需要仲裁机制来避免总线冲突。
2. 速度支持：I2C 支持不同的传输速度，包括标准模式 (100kbps)、快速模式 (400kbps) 和快速模式增强版 (1Mbps)。
3. 硬件简单：I2C 的硬件实现相对简单，只需要少量的外部元件。
4. 地址区分：每个 I2C 设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址选择要通信的从设备。

4. I2C协议

1. 起始条件 (Start Condition)：SCL 为高电平时，SDA 从高电平变为低电平，表示通信开始。
2. 地址传输：主设备发送 7 位或 10 位从设备地址，紧接着发送一位读/写标志位 (R/W bit)。
3. 数据传输：主设备或从设备根据读/写标志位进行数据传输，每次传输一个字节。
4. 应答信号 (ACK/NACK)：从设备在接收到每个字节后，发送一个应答信号 (ACK) 表示成功接收，如果没有应答，则发送非应答信号 (NACK)。
5. 停止条件 (Stop Condition)：SCL 为高电平时，SDA 从低电平变为高电平，表示通信结束。

5. 配置与使用

1. 配置 I2C 外设：
a. 使能 I2C 外设时钟。
b. 配置 GPIO 为 I2C 功能 (通常是 Alternate Function, Open-Drain, Pull-up)。
c. 配置 I2C 参数（如时钟速度、地址模式等）。
2. 发送数据：主设备发送从设备地址和写标志位，然后发送要写入的数据。
3. 接收数据：主设备发送从设备地址和读标志位，然后从从设备接收数据。

6. 示例代码 (基于STM32 HAL 库)

// 初始化 I2C
void I2C1_Init(void) {
  // 1. 使能 I2C 时钟
  __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();
  // 2. 配置 I2C 引脚 (SCL, SDA)
  //    配置为 Alternate Function, Open-Drain, Pull-up
  // 3. 配置 I2C 参数
  I2C_HandleTypeDef hi2c1;
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000; // 100kHz
  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;

  HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

// I2C 发送数据
HAL_StatusTypeDef I2C1_Write(uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size) {
  return HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, DevAddress << 1, MemAddress, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, Size, 100);
}

// I2C 接收数据
HAL_StatusTypeDef I2C1_Read(uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size) {
  return HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, DevAddress << 1, MemAddress, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, Size, 100);
}

7. 常见问题

1. 总线冲突：当多个主设备同时尝试控制总线时，可能会发生总线冲突。需要合理的仲裁机制来解决。
2. 上拉电阻配置：SDA 和 SCL 线上拉电阻的值需要根据总线电容和传输速度进行选择。
3. 从设备应答丢失：如果从设备没有正确应答，可能是地址错误、设备故障或其他原因。
4. 时钟速度设置： I2C 的时钟速度需要根据设备的规格和总线电容进行选择。

8. 应用场景

1. 传感器数据采集：读取温湿度传感器、气压传感器等的数据。(好吧参加过蓝桥杯单片机比赛的同学应该比较清楚，毕竟I2C的代码肯定都背过)
2. EEPROM 存储：存储配置参数、用户数据等。(蓝桥杯一样讲过EEPROM)
3. 显示屏控制：控制 OLED、LCD 等显示屏的显示内容。
4. 电机控制：控制电机的驱动芯片。
5. 无线模块：与无线模块进行通信。

更多学习链接推荐

1. keysking视频课：I2C与温湿度测量

2. 时序图及原理讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1RzxJeMEdy/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=f68e12cdc3f47e1bbc4e154a7f74c517

各大学习平台都有不少对于I2C的讲解，同时包括蓝桥杯，STM32系列视频课等等，本文仅仅根据自己的理解进行简要概括总结，各位可以当作学习笔记，更多实例开发建议大家根据B站视频课进行更直观的学习。了解到许多嵌入式岗位对于I2C，SPI，UART等接口有着具体的要求，后续也会进一步学习整理其他嵌入式常用接口系列博客，欢迎各位关注学习，共同进步。