STM32学习之通信协议2： I2C

挥剑决浮云 -

于 2025-01-02 14:49:46 发布

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分类专栏：单片机（32）文章标签： stm32 学习嵌入式硬件单片机笔记经验分享

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I2C(Inter-Integrated Circuit)
一种串行数字总线接口,只有两根信号线，总线上可以连接多个设备，硬件实现简单，可拓展性强
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SCL串行时钟线 : 在I2C通信中由主设备（如微控制器或处理器）产生，用于同步数据传输，确定数据传输的速率和时序，确保所有设备在SCL上保持同步，从而正确地进行数据传输‌
SDA串行数据线 : 用于在I2C总线上传输实际的数据位，数据传输是通过在SCL的时钟边沿上或下改变SDA的状态来实现的‌

I2C总线的两根信号线有上拉电阻。当I2C器件空闲时，其输出接口是高阻态。当所有设备都有空闲时，I2C总线上是高电平
即空闲状态时数据线和时钟线都处于高电平状态

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解决了计算机一对多通信问题，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机，从机只有被主机点名之后才能控制I2C总线，不能在未经允许的情况下去碰I2C总线，防止冲突，任何时候都是主机完全控制SCL线

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开始传递信息时，必须在时钟线为高电平期间，数据信号完成从高到低的跳变，也就是下降沿，这样起始信号就发送完成了

下图是一个标准的写数据帧：
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接下来是7位设备地址码，因为接入多个设备，每个设备地址码不同，为了区别要和哪个设备通讯，主机需要先控制数据线发7位地址码，为0/1的组合，128种结果。时钟线为1时，数据线要稳定为1，这样就完成一位数据的传输
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比如上图1010000，是某个外设的地址，则此时单片机和该设备通讯

接下来是读 / 写数据位，写0 读1

下一位应答信号是从机（此时从机控制数据线，前面几位是主机控制，发完读写位，主机把数据线置回默认的高电平，此时SDA=1）发给主机的，从机收到之前的信息则回复0，没收到或读取完成回复1（因为两条线默认状态都是高电平1，从机拉低数据线，主机检测到变回 0 了就知道从机动了手脚，于是主机继续接管总线）
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后面可以指定寄存器地址并在其中写入8位数据，停止信号与起始信号相反，SCL=1时，SDA来个上升沿
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这样一个标准写数据帧就完成了

读数据和写数据差不多，下面是一个标准的读数据帧：
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区别在于，发完寄存器地址后，从机应答后，主机还需要发送一位起始位，然后再发送一次设备地址，并发送 1 表示读数据，接下来便是存储器的对应寄存器地址的数据发给单片机，最后应答信号为 1，表示读取完毕
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发送端在高电平发送数据，接收端在高电平取数据
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问题来了，如果某一时刻，有两个设备同时要发送数据，那会怎样？数据线上是高电平还是低电平？

为了搞清楚这个问题，我们先要知道芯片是如何输出高低电平的，芯片IO口内部一般会有两颗MOS管，上面导通就输出高电平，下面导通就输出低电平，如下图：
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当两个芯片连在数据线上，一高一低，则形成通路，短路了，一定有一个会烧掉
为了避免这样的情况发生，I2C总线对设备IO口进行了阉割，去掉了上面的MOS管（比喻意义，实际就是I2C总线时，我们将推挽输出换成开漏输出）

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不过这样带来了问题，芯片无法输出高电平了，解决办法是在SDA上接一个上拉电阻（这个电路电路其实就是GPIO开漏输出）

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这样虽然有设备不满足，但起码不会有设备烧掉

（那再多几个设备呢？C也在低电平呢？B和C又是如何，因为有设备地址所以互不打扰吗？）

题外话：上拉电阻的取值（一般几千欧）
1、太小：会导致芯片电流过大易烧毁，同时MOS管内的电阻有的也可能有100欧，这样会导致无法把总线电压拉低到低电平的状态；
2、太大：每个设备IO口对地总有一些寄生电容，芯片从低往高电平转变的过程中，会有一个充电过程，爬坡一样，电阻越大，越慢，易导致信号失真；所以，一般随着总线设备增加，会适当减少上拉电阻值，求稳的话要用示波器看下波形

因为使用了开漏输出和上拉电阻，I2C抗干扰能力比较弱，适用于同一块电路板上的芯片进行通信，不适合超过30CM的板间通信

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