I2C 总线

一、I2C 总线的核心目的

I2C 总线是一种用于短距离设备间通信的串行总线，主要解决 “主控芯片与外设（如传感器、OLED 屏）之间的数据传输” 问题。
例如：STM32 单片机（主机）通过 I2C 总线读取 SHT20 温湿度传感器（从机）的数据，再通过 UART 发送到 PC 端显示。

二、I2C 总线基础概念

1. 定义：串行、同步、半双工总线（飞利浦设计），仅需 2 根线（SCL 时钟线、SDA 数据线），均为双向。
2. 硬件必备：SCL 和 SDA 需外接上拉电阻（作用：空闲时保持高电平，稳定电路）。
3. 通信速率：低速 100Kbps、中速 400Kbps、高速 3.4Mbps（常用中低速）。
4. 主从模式：支持单主机多从机（最常用）或多主机多从机。
   • 主机：主动发起 / 结束通信（如 STM32）；从机：被动响应（如传感器）。
5. 设备地址：每个从机有唯一 7 位地址（如 SHT20 的地址为 0x40），用于主机识别目标设备。

三、硬件连接示例（单主机多从机）

• 主机：STM32U575RIT6
• 从机：SHT20（温湿度，0x40）、MAX30102（心率，地址另设）等
• 连接方式：所有设备的 SCL 引脚相连，SDA 引脚相连，各自接 3.3V 和 GND，SCL/SDA 线接 10KΩ 上拉电阻到 3.3V。

四、关键时序（通信的 “语法规则”）

1. 起始信号（S）与终止信号（P）

• 起始信号（S）：SCL 高电平时，SDA 从高→低（下降沿），标志通信开始（仅主机产生）。
• 终止信号（P）：SCL 高电平时，SDA 从低→高（上升沿），标志通信结束（仅主机产生）。
• 例：主机想和 SHT20 通信，先发送起始信号 “唤醒” 总线。

2. 数据传输时序

• 数据以字节（8 位）为单位传输，每 bit 需 1 个时钟周期（SCL 高 + 低）。
• 发送数据：SCL 低电平时，SDA 可改变（发送器写数据）。
• 接收数据：SCL 高电平时，SDA 需稳定（接收器读数据）。
• 例：发送 “0x40” 时，SCL 每低一次，SDA 依次输出该字节的 8 位（从高位到低位）。

3. 应答信号（ACK/NACK）

• 每传输 1 字节后，第 9 个时钟周期需回复应答：
  • ACK（0）：接收器确认收到数据；
  • NACK（1）：接收器未收到或结束通信。
• 例：主机给 SHT20 发完地址后，SHT20 回复 ACK 表示 “我在”。

4. 寻址信号（找目标设备）

• 主机发送 7 位从机地址 + 1 位读写位（W=0 写，R=1 读），凑成 8 位。
• 例：主机想读 SHT20（地址 0x40），寻址信号为 (0x40 << 1) | 1 = 0x81；想写则为 0x80。

五、通信协议格式（实际 “对话流程”）

示例 1：主机从 SHT20 读取温度数据（单字节）

1. 主机发起始信号（S）；
2. 主机发寻址信号（0x80，写方向，找 SHT20）；
3. SHT20 回复 ACK；
4. 主机发 “读取温度” 命令（寄存器地址 0xE3）；
5. SHT20 回复 ACK；
6. 主机发起始信号（重新开始）；
7. 主机发寻址信号（0x81，读方向）；
8. SHT20 回复 ACK；
9. SHT20 发送温度数据（8 位）；
10. 主机回复 NACK（表示 “够了，结束”）；
11. 主机发终止信号（P）。

示例 2：为什么读数据需要 “先写后读”？

• 第一步 “写”：主机先告诉 SHT20“我要和你说话（地址），并要读你的温度寄存器（0xE3）”；
• 第二步 “读”：确认 SHT20 准备好后，主机再读取该寄存器的数据。

六、实战：SHT20 温湿度传感器应用

1. 设备地址：7 位地址 0x40（寻址信号写 0x80，读 0x81）。
2. 关键寄存器：
   • 温度测量：0xE3（hold 模式，单主机）；
   • 湿度测量：0xE5（hold 模式）。
3. 精度设置：默认温度 14 位、湿度 12 位（可通过用户寄存器修改）。
4. 数据转换公式：
   • 温度：T(℃) = -46.85 + 175.72 × (温度数字量 / 65536)
   • 湿度：RH(%) = -6 + 125 × (湿度数字量 / 65536)

总结

I2C 总线的核心是 “通过时序和地址实现设备间有序通信”，理解起始 / 终止信号、应答机制、寻址规则是关键。实际应用中，需结合具体设备的地址和寄存器手册，按协议格式编写读写代码（如 STM32 通过 GPIO 模拟时序或使用硬件 I2C 外设）。