I2C总线详细介绍

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I2C 总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线） 是一种串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统和电子设备中，用于在微控制器与外围设备（如传感器、EEPROM、显示屏等）之间进行低速数据通信。I2C 总线因其简单、高效和灵活的特点，成为许多设备的标配通信接口。

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1. I2C 的原理

(1) 双线通信

I2C 总线由两根信号线组成：

• SCL（Serial Clock Line，时钟线）：由主设备（Master）产生时钟信号，用于同步数据传输。
• SDA（Serial Data Line，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。

(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（通常为 4.7 kΩ）连接到电源，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。

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2. I2C 的特性

(1) 双向通信

• 数据线 SDA 支持双向数据传输，主设备和从设备都可以发送和接收数据。

(2) 多主设备

• I2C 总线支持多个主设备同时工作，但需要总线仲裁机制避免冲突。

(3) 速度支持

• 标准模式：<= 100 kbps。
• 快速模式：<= 400 kbps。
• 高速模式：<= 3.4 Mbps。
• 超快速模式：<= 5 Mbps（部分设备支持）。

(4) 硬件简单

• 只需两根信号线，降低了电路设计的复杂性。

(5) 地址区分

• 每个从设备都有唯一的 7 位或 10 位地址，主设备通过地址选择从设备。

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3. I2C 的协议

(1) 起始条件（Start Condition）

• 主设备通过拉低 SDA 线，然后在 SCL 线拉低时发送起始信号。

(2) 地址传输

• 主设备发送 7 位或 10 位从设备地址，后面跟随读/写标志位（R/W）：
  • 0：写操作。
  • 1：读操作。

(3) 数据传输

• 在 SCL 的高电平期间，SDA 上的数据必须保持稳定。
• 每个字节（8 位）传输后，接收方需要发送一个应答位（ACK）或非应答位（NACK）。

(4) 应答信号（ACK/NACK）

• ACK（应答）：接收方在第 9 个时钟周期拉低 SDA 线，表示成功接收数据。
• NACK（非应答）：接收方在第 9 个时钟周期保持 SDA 线高电平，表示接收失败或不需要更多数据。

(5) 停止条件（Stop Condition）

• 主设备在拉高 SCL 线后，再拉高 SDA 线，发送停止信号。

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4. 配置与使用

(1) 配置 I2C 外设

在 STM32 微控制器中，I2C 外设的配置通常基于 HAL 库。

使能 I2C 外设时钟

__HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();  // 使能 I2C1 外设时钟

配置 GPIO 为 I2C 功能

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9;  // I2C1 的 SCL 和 SDA 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;         // 开漏输出
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;      // 复用功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;             // 无上拉/下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // 高速

HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);         // GPIOB 配置

配置 I2C 参数

I2C_HandleTypeDef hi2c1;

hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;                // 时钟频率 100 kHz
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;        // 时钟占空比
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0x00;                 // 主设备地址（不需要）
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;  // 7 位地址模式
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 禁用双地址模式
hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0x00;                 // 从设备地址（不需要）
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 禁用广播模式
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;     // 禁用不拉伸模式

HAL_I2C_Init(&hi2c1);                          // 初始化 I2C

(2) 发送数据

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (uint16_t)0x50 << 1, data, sizeof(data), HAL_MAX_DELAY);

• 参数说明：
  • 0x50：从设备的 7 位地址。
  • data：要发送的数据。
  • HAL_MAX_DELAY：阻塞等待，直到传输完成。

(3) 接收数据

HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (uint16_t)0x50 << 1, data, sizeof(data), HAL_MAX_DELAY);

• 参数说明：
  • 0x50：从设备的 7 位地址。
  • data：接收数据的缓冲区。
  • HAL_MAX_DELAY：阻塞等待，直到接收完成。

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5. 实例代码

以下是一个完整的示例，配置 I2C1 并与从设备 0x50 通信：

void I2C_Config(void)
{
    // 使能 I2C1 外设时钟
    __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();

    // 配置 GPIO 为 I2C 功能
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9;  // I2C1 的 SCL 和 SDA 引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;         // 开漏输出
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;      // 复用功能
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;             // 无上拉/下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // 高速

    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);         // GPIOB 配置

    // 配置 I2C 参数
    I2C_HandleTypeDef hi2c1;

    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;                 // 时钟频率 100 kHz
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;         // 时钟占空比
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0x00;                  // 主设备地址（不需要）
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;  // 7 位地址模式
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 禁用双地址模式
    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0x00;                  // 从设备地址（不需要）
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 禁用广播模式
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;     // 禁用不拉伸模式

    HAL_I2C_Init(&hi2c1);                           // 初始化 I2C

    // 发送数据到从设备 0x50
    uint8_t data[] = {0x01, 0x02, 0x03};
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (uint16_t)0x50 << 1, data, sizeof(data), HAL_MAX_DELAY);
}

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6. 常见问题

(1) 总线冲突

• 如果多个主设备同时尝试控制总线，可能会导致总线冲突。
• 解决方法：硬件设计时避免多个主设备同时操作。

(2) 上拉电阻配置

• I2C 总线需要外部上拉电阻，通常为 4.7 kΩ。
• 检查电路设计是否正确接线。

(3) 从设备应答丢失

• 可能是从设备地址错误或设备未上电。
• 解决方法：检查从设备地址和供电情况。

(4) 时钟速度设置

• 根据设备的要求设置合适的时钟速度。
• 例如，EEPROM 通常支持 100 kHz，而某些传感器可能支持 400 kHz。

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7. 应用场景

(1) 传感器数据采集

• 如温度传感器（LM75）、加速度传感器（MPU6050）等。

(2) EEPROM 存储

• 如 24C02 EEPROM，用于存储设备配置信息。

(3) 显示屏控制

• 如 OLED 显示屏（SSD1306）通过 I2C 接口进行通信。

(4) 电机控制

• 如步进电机驱动器（L298N）通过 I2C 总线进行控制。

(5) 无线模块

• 如蓝牙模块（HM-10）通过 I2C 与主控通信。

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8. 总结

I2C 是一种简单高效的串行通信协议，适用于嵌入式系统中的多设备通信。通过配置 STM32 的 I2C 外设，可以实现与各种外围设备的低速数据传输。其主要特点包括：

• 双线通信：仅需 SCL 和 SDA 两根信号线。
• 主从结构：支持主设备与从设备通信。
• 多设备支持：通过地址区分不同的从设备。
• 硬件简单：仅需上拉电阻，设计成本低。

I2C 的应用场景广泛，从传感器数据采集到显示屏控制，再到电机驱动和无线通信，都可以通过 I2C 实现高效可靠的通信。