stm32教程：软件I2C通信协议 代码模板提供

早上好啊大伙，这一期也是stm32的基础教学，这一期说的是 —— I2C通信协议。

一、I2C协议概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种由飞利浦（现NXP半导体）于1982年设计的同步、半双工、多主从结构的串行通信协议，广泛应用于传感器、存储器、显示屏等低速设备的短距离通信。其核心优势在于仅需两根信号线（SCL时钟线和SDA数据线）即可实现多设备通信，且支持多主机和从机的灵活配置17。

二、物理层特性

硬件结构

两根总线：SCL（串行时钟线）用于同步，SDA（串行数据线）传输数据。两者均为开漏输出结构，需外接上拉电阻（通常4.7kΩ）以实现高电平16。

线与逻辑：所有设备的SDA和SCL通过线与逻辑连接，任一设备拉低总线时，总线即处于低电平9。

速率模式

标准模式：100kbps

快速模式：400kbps

高速模式：3.4Mbps（部分设备支持）

极速模式：5Mbps（较少见）27。

三、协议层机制

起始与停止信号

起始信号：SCL高电平时，SDA从高到低跳变16。

停止信号：SCL高电平时，SDA从低到高跳变69。

数据帧结构

I2C通信以消息为单位，每个消息包含以下部分：

地址帧：7位或10位从机地址 + 1位读写控制位（0为写，1为读）17。

数据帧：8位数据，高位先传，后跟1位应答（ACK/NACK）69。

应答机制

每传输完一个字节，接收方需发送ACK（拉低SDA）确认，否则发送NACK（保持高电平）终止通信69。

时钟同步与仲裁

时钟同步：从机可通过拉低SCL延长低电平时间，强制主机等待89。

总线仲裁：多主机竞争时，通过检测SDA电平冲突实现仲裁，未冲突的主机继续通信17。

四、通信协议

I2C通信的核心流程围绕起始信号、地址帧传输、数据帧传输、应答机制和停止信号展开。

1. 起始信号（START Condition）

触发条件：主机在SCL高电平时，将SDA线从高电平拉低。

关键作用：

标志通信开始；

通知所有从机进入监听状态；

若总线已占用（如多主机竞争），触发仲裁机制

2. 地址帧传输：寻址目标从机

地址帧组成

7位从机地址（如0x68）或10位地址（高5位固定0b11110，后跟扩展地址）。

1位读写控制位：

0：主机向从机写数据（Write Mode）；

1：主机从从机读数据（Read Mode）。

传输规则

主机按高位先传（MSB First）发送地址和读写位；

每个时钟脉冲（SCL高电平）传输1位数据，共9个时钟周期（7位地址+1位读写+1位ACK）。

应答机制（ACK/NACK）

ACK（应答）

触发条件：从机收到匹配地址后，在第9个时钟周期将SDA拉低。

作用通知主机继续发送数据。

NACK（非应答）

触发条件：从机未响应（地址不匹配或忙），SDA保持高电平。

结果：主机终止通信或重试。

4. 主机读写数据（Master Transmitter）

主机写数据（Master Transmitter）

主机发送起始信号；

发送从机地址（写模式）；

收到ACK后，发送8位数据；

从机每接收完1字节返回ACK；

重复步骤3-4直至数据发送完毕；

主机发送停止信号。

主机读数据（Master Receiver）

1. 主机发送起始信号；

2. 发送从机地址（读模式）；

3. 收到ACK后，从机开始发送数据；

4. 主机每接收1字节后发送ACK（继续接收）或NACK（终止接收）；

5. 主机发送停止信号。
   

5. 通信终止：停止信号（STOP Condition）

触发条件：SCL高电平时，SDA从低电平跳变到高电平。

作用：

释放总线，结束本次通信；

从机复位状态，等待下一次通信。

五、示例代码

MyI2C.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "MyI2C.h"void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SDA_GPIO_PIN, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求return BitValue;											//返回SDA电平
}void MyI2C_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(I2C_SCL_GPIO_CLK, ENABLE);	//开启SCL的对应时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(I2C_SDA_GPIO_CLK, ENABLE);	//开启SCL的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SCL_GPIO_PIN;GPIO_Init(I2C_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SDA_GPIO_PIN;GPIO_Init(I2C_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);					//将SCL和SDA引脚初始化为开漏输出/*设置默认电平*/GPIO_SetBits(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN);GPIO_SetBits(I2C_SDA_GPIO_PORT, I2C_SDA_GPIO_PIN);
}void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位{MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDAMyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据}
}uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位{MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAif (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA}return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;							//定义应答位变量MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAAckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块return AckBit;							//返回定义应答位变量
}

MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H#define  I2C_SCL_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOB)
#define  I2C_SDA_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOB)
#define  I2C_GPIO_APBxClkCmd        RCC_APB2PeriphClockCmd#define  I2C_SCL_GPIO_PORT         GPIOB   
#define  I2C_SCL_GPIO_PIN          GPIO_Pin_10
#define  I2C_SDA_GPIO_PORT         GPIOB
#define  I2C_SDA_GPIO_PIN          GPIO_Pin_11void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);#endif

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