STM32单片机 IIC 通信协议

1、IIC概述：

IIC（Inter-Integrated Circuit）中文全称为集成电路总线，是由飞利浦公司（现恩智浦 NXP）在

1980年代开发的一种简单、双向、二线制、同步串行通信总线。

IIC两根线分别是 SCL（时钟控制线） 、SDA（数据线，用于传输数据）。 

它主要用于连接同一块电路板上的各个集成电路（IC），让芯片之间能够以低速、短距离的方式进

行通信，因其设计简洁、占用引脚少而被广泛应用。

行通信，因其设计简洁、占用引脚少而被广泛应用。

常见应用场景

• 访问传感器 这是IIC最经典的应用。许多小型、低功耗的传感器都采用IIC接口与主控制器（如MCU）通 信。
  • 温度/湿度传感器： 如 SHT30, SHT40
  • 加速度计/陀螺仪： 如 MPU-6050（同时集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪）
  • 磁力计： 如 QMC5883L（电子罗盘）
  • 气压计： 如 BMP280
  • 光强度传感器： 如 BH1750
  • 控制执行器或驱动芯片
  • LED驱动芯片： 如控制LED点阵屏或背光亮度的芯片（MAX7219, PCA9685舵机驱动 板）。
  • IO扩展芯片： 当MCU的GPIO口不够用时，可以使用IIC接口的芯片来扩展输入输出口 （如 PCF8574）。PCA9685舵机扩展板模块 单片机I2C接口控制板 16路PWM舵机驱动 板
  • 音频编码/解码芯片： 许多编解码芯片（Codec）支持IIC接口进行配置。
• 访问存储器
  • 一些小容量、用于存储配置参数或数据的非易失性存储器也使用IIC接口。
    • EEPROM： 如 24C02, 24C64 等系列芯片，用于存储设备参数、校准数据等。
• 与实时时钟（RTC）通信
  • 实时时钟芯片负责在系统断电时继续计时，通常通过IIC接口被主CPU读取或设置时间。 常用芯片： DS1307, PCF8563

2、IIC特点：

特点	描述
总线结构	两根信号线：SCL（时钟线）、SDA（数据线）
通信方式	主从模式（Master-Slave）
多主支持	允许多个主设备控制总线（但较少使用）
速率	标准 100 kbps，快速 400 kbps，高速可达 3.4 Mbps
寻址方式	每个从设备有唯一的 7 位或 10 位地址
数据方向	半双工（数据线双向，但同一时刻只有一个方向传输）

3、IIC数据帧格式

这是 IIC 写入数据帧。

详解分析一下 I2C 写入数据【数据帧】内容

• 起始位【1位】，主机触发 I2C 数据总线工作，告知当前 I2C 对应 SDA 和 SCL 所有设备进入 就绪状态
• 设备地址【7位】，当前 I2C 设备的地址。MCU 选择当前操作的 I2C 设备是哪一个，通常情 况下， I2C 设备地址是硬件电路决定！
• 读/写标志位【1位】，明确当前 MCU 操作当前 I2C 设备是进行读操作还是写操作，需要当 前当前设备地址进行组合，一并作为一个字节数据发送给对应 I2C 设备。0 写入操作。1 位读 取操作
• 应答信号 ACK【1位】，设备之间确认数据发送是否正常的标志位，存在与设备地址 + 读写 标志位之后，寄存器地址之后，数据之后。
• 寄存器地址【8位】，按照当前图例分析，目标写入数据的 I2C 设备寄存器地址，当前寄存器 地址范围是 0x00 ~ 0xFF，仅考虑基本的字节操作，I2C 设备可以支持的最大存储器为 256 byte。可以根据后续编号进行拓展。
• 数据 Data【8位】，按照当前图例分析，MCU 写入到当前 I2C 设备的数据内容，数据具体 形式是根据 SDA 和 SCL 时序决定。
• 停止位【1位】，当前主机操作 I2C 结束信号。

IIC 的读取数据【数据帧】格式为分为两个阶段，写寄存器地址”和“读数据两个阶段。

阶段	组成部分（按传输顺序）	说明
写地址阶段	起始位（S）→ 设备地址（7 位）+ 写位（0）→ 应答（ACK）→ 寄存器地址（8 位）→ 应答（ACK）→ 重复起始位（Sr）	先向从机指定要读取的寄存器地址
读数据阶段	设备地址（7 位）+ 读位（1）→ 应答（ACK）→ 数据（8 位）→ 非应答（NACK）→ 停止位（P）	从机向主机返回目标寄存器的数据

各个阶段的电平情况：

IIC空闲信号：空闲状态代表总线未被占用，所有设备处于监听状态。在多主机或复杂 IIC 总线系统中，主机（或控制器）常常需要确认 IIC 总线处于空闲状态，才开始发送数据，否则会引发协议冲突或通信错误。

IIC起始信号和停止信号：

起始信号是 SCL 处于高电平状态，在 SCL 处于高电平期间，SDA 实现一次从高到低的跳变。

停止信号是 SCL 处于高电平状态，在 SCL 处于高电平期间，SDA 实现一次从低到高的跳变。

IIC传递数据 0 和 1 ：

逻辑 1: SCL 时钟线处于高电平状态，SDA在整个 【SCL高电平周期内】，保持高电平状态，一般情况下，SDA 数据线拉高早于时钟线 SCL 时钟线，后续拉低晚于SCL时钟线。

逻辑 0：SCL 时钟线处于高电平状态，SDA 在整个【SCL高电平周期内】，保持低电平状态，SDA数据线拉低早于SCL时钟线，后续拉高晚于SCL时钟线。

IIC读写标志位：

IIC主设备发送给从设备，需要明确告知当前 IIC从设备是读操作还是写操作。【主机行为】

标志位数据要求

• 0 ： 表示主设备向从设备进行数据写入操作【写操作】
• 1 ： 表示主设备需要读取从设备目标寄存器的数据内容【读操作】

IIC应答信号：

名称	缩写	电平状态	含义
应答信号	ACK	SDA 拉低（0）	表示“数据已成功接收，请继续”
非应答信号	NACK	SDA 保持高（1）	表示“数据接收完毕或出错，请停止”

应答信号的时序细节

• 每传输 1 字节（8 位） 数据后，都会产生 第 9 个时钟周期（每发送 1 个比特位（bit），占用 1 个时钟周期）

• 在 第 9 个时钟周期：

  • 发送方释放 SDA（变为输入）

  • 接收方在该周期内拉低 SDA（表示 ACK），或保持高电平（表示 NACK）

  • SCL 由主机控制，产生第 9 个脉冲读取 SDA 状态

在主机需要连续读取从机数据，在接收一个字节后还要继续接收，给予从机的应答信号为 ACK。

停止读取给予从机应答信号 NACK，表示主机读完最后一个数据。

4、IIC操作 EEPROM 存储设备。

先看原理图：

在 STM32中 IIC的SCL时钟线对应的引脚为PB6,SDA数据线对应的引脚是PB7，结合EEPROM原理图来看

在IIC输出的时候，将PB6和PB7设置为开漏输出模式，IIC输入的时候需要将SDA 对应的PB7引脚配置为浮空输入模式。

在 软件模拟 I²C（bit-bang I2C）实现中：

引脚	作用	是否需要输入模式	配置方式
SCL (PB6)	时钟线，由主机驱动	不需要切换为输入	始终保持 开漏输出 + 上拉
SDA (PB7)	数据线，可读可写	需要在发送/接收之间切换	在发送数据时 → 开漏输出 在接收数据时 → 浮空输入或上拉输入

4、IIC发送字节数据：

IIC 发送数据内容都是 8位组成 【MSB高位先发】

设备地址：

寄存器地址：

发送数据：

代码：

#include "my_i2c.h"void I2C_GPIO_Init(void)
{// 1. 时钟使能只需要使能 GPIOB 组RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;/*2. 配置 GPIOB 中的 PB6 和 PB7 都为开漏输出模式*/GPIOB->CRL &= ~(0xFF << 24);GPIOB->CRL |= (0x77 << 24);/*3. 当前配置完成之后，软件 I2C 处于空闲状态。要求 SCL 和 SDA 都保持【高电平状态】*/GPIOB->BSRR |= (0x03 << 6);
}void SCL_Set(u8 statu)
{if (statu){// SCL 时钟线输出高电平GPIOB->BSRR |= I2C_SCL_PIN;}else{// SCL 时钟线输出低电平GPIOB->BRR |= I2C_SCL_PIN;}
}void SDA_Set(u8 statu)
{if (statu){// SDA 数据线输出高电平GPIOB->BSRR |= I2C_SDA_PIN;}else{// SDA 数据线输出低电平GPIOB->BRR |= I2C_SDA_PIN;}
}void I2C_Start(void)
{// 【TODO 未完待续】明确当前 SDA 数据线处于输出工作模式SDA_Output_Mode();/*【必须保证】SDA 的变化过程是在 SCL 高电平周期以内完成，不可以出现SCL 时钟周期早于 SDA 变化过程。*//*首先 SDA 数据线拉高，拉高之后，SCL 时钟线拉高，可以保证 时钟周期高电平范围以内，SDA 数据线状态控制当前 I2C 传递内容 */SDA_Set(1);SCL_Set(1);I2C_Delay();/*通过延时操作之后，此时 SCL 高电平状态，可以任务是时钟高电平周期范围SDA 设置低电平，可以认为是在 SCL 高电平周期内，SDA 完成了高电平到低电平跳变，对应【I2C 起始信号时序要求】*/SDA_Set(0);I2C_Delay();/*时钟线拉低，进入下一个时钟周期低电平状态。*/SCL_Set(0);I2C_Delay();
}void I2C_Stop(void)
{// 【TODO 未完待续】明确当前 SDA 数据线处于输出工作模式SDA_Output_Mode();/*【必须保证】SDA 的变化过程是在 SCL 高电平周期以内完成，不可以出现SCL 时钟周期早于 SDA 变化过程。*//*保证 SDA 数据线低电平状态，之后进入到 SCL 时钟线高电平周期内*/SDA_Set(0);SCL_Set(1);I2C_Delay();/*I2C 停止信号是在 SCL 高电平周期内容，SDA 实现低电平到高电平跳变*/SDA_Set(1);I2C_Delay();/*时钟线拉低，进入下一个时钟周期低电平状态。*/SCL_Set(0);I2C_Delay();
}void SDA_Output_Mode(void) 
{// SDA 数据线设置为输出模式 --> 开漏输出// MCU 主设备进行相关操作，例如 【起始信号，终止信号，数据传递】GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 28);GPIOB->CRL |= (0x07 << 28);
}void SDA_Input_Mode(void)
{// SDA 数据线设置为输入模式 --> 浮空输入// MCU 主设备接受从设备数据，例如 【应答位信息，从设备寄存器数据】GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 28);GPIOB->CRL |= (0x04 << 28);
}void I2C_Delay(void)
{/*控制延时时间为 5 us */SysTick_Delay_us(5);
}u8 SDA_Read(void)
{return (GPIOB->IDR & I2C_SDA_PIN) ? 1 : 0;
}u8 I2C_SendByte(u8 data)
{// 控制循环的临时变量u8 i = 0;// 数据发送完成 I2C 从设备应答内容u8 ack = 0;/*【重点】保证 MCU 对应 SDA 引脚处于输出状态*/SDA_Output_Mode();/*每一次发送数据都是 8 位/ 1 字节内容*/for (i = 0; i < 8; i++){// 【发送操作核心内容】// 1. SCL 时钟线拉低SCL_Set(0);I2C_Delay();// 2. 根据发送数据情况，调整 SDA 电平/*I2C 数据发送是高位 (MSB) 先出。利用 data & 0x80 进行 0 1 判断如果 data & 1000 0000 结果不为 0，表示当前需要发送的数据位为 1如果 data & 1000 0000 结果为 0，表示当前需要发送的数据位为 0发送完成一次，将 data 进行左移一位操作*/if (data & 0x80){// 发送数据 1，SDA 数据线处于高电平状态SDA_Set(1);}else{// 发送数据 0，SDA 数据线处于低电平状态SDA_Set(0);}// 延时控制，此时 SCL(0) SDA(1)I2C_Delay();// 当前 SCL 时钟线拉高，进入 I2C 设备 SDA 数据采样阶段SCL_Set(1);I2C_Delay();// 数据 data 左移 1 位data <<= 1;}/*以上操作将 8 位数据发送给 I2C 设备, 主设备需要读取 I2C 从设备对应应答信号在应答周期内 SDA 低电平对应 0 。表示 I2C 从设备接收数据正常在应答周期内 SDA 高电平对应 1 。表示 I2C 从设备接收数据异常，设备异常*//*【I2C 设备应答信号处理】*/// 以上操作数据发送完成之后，SCL 处于高电平状态，需要拉低操作，进入时钟低电平SCL_Set(0);I2C_Delay();/*修改当前 SDA 工作模式输入模式，准备读取 SDA 电平情况分析应答数据。*/SDA_Input_Mode();/*利用 SDA ODR 将电平拉高，如果 I2C 设备提供明确的低电平信号，表示 ACK 应答成功。*/SDA_Set(1);I2C_Delay();/*电平情况分析SCL 处于低电平，无效时钟阶段SDA 处于高电平状态，【输入模式】，非 MCU 主动模式。*/// 进入时钟的有效周期内容，此时 I2C 从设备会按照时钟高电平有效周期内容// 进行数据反馈，如果应答成功，SDA 数据线电平拉低，如果响应未成功，SDA // 依然保持高电平SCL_Set(1);I2C_Delay();// 读取 SDA 电平情况ack = SDA_Read();// 时钟线拉低，进入无效时钟阶段SCL_Set(0);// 将 SDA 设置为输出模式状态。SDA_Output_Mode();return ack;
}u8 I2C_ReadByte(u8 ack)
{u8 i = 0;u8 data = 0;/*SDA 工作模式调整为输入状态。同时将 SDA 设置为高电平。*/SDA_Input_Mode();SDA_Set(1);for (i = 0; i < 8; i++){/*SCL 时钟处于低电平，无效时钟阶段*/SCL_Set(0);I2C_Delay();/*SCL 明确低电平状态之后，直接拉高，进入有效时钟周期此时 I2C 从设备，会发送数据内容到 SDA 数据线，从而改变 SDA 数据线电平情况*/SCL_Set(1);I2C_Delay();data <<= 1;// 在 SCL 时钟线拉高之后，延时 5 us ，此时 I2C 提供数据// 对于 SDA 电平影响已经稳定。读取 SDA 数据，判断当前数据内容if (SDA_Read()){// 如果读取到的 SDA 高电平，数据为 1 进行 |= 赋值操作。data |= 0x01;}}/*当前数据接收完毕字后，SCL 时钟线处于高电平状态。首先拉低 SCL 进入无效时钟阶段。*/SCL_Set(0);I2C_Delay();/*当前接收数据的是 MCU ，需要给予 I2C 从设备对应的应答信息，当前应答位有特殊功能ACK(0)   表示数据接收成功，可以继续连续读取数据假设第一次 MCU 读取设备地址为 101 0000 设备，寄存器 0000 0001 数据。ACK(0), 此时 I2C 从设备，继续发送寄存器 0000 0010 位置数据ACK(0), 此时 I2C 从设备，继续发送寄存器 0000 0011 位置数据NACK(1)  表示数据接收完成，终止后续数据读取*/// 调整当前 SDA 工作模式以为输出模式SDA_Output_Mode();// 此时 SDA 是输出工作模式，根据用户参数 ACK 设置 SDA 电平if (ack){SDA_Set(1);}else{	SDA_Set(0);}I2C_Delay();// SCL 时钟线进入高电平模式，有效时钟周期SCL_Set(1);I2C_Delay();// SCL 时钟线进入低电平模式，无效时钟周期SCL_Set(0);return data;
}

5、EEPROM介绍和驱动配置：

在 STM32 微控制器中，EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器） 是一种非易失性存储元件，用于保存需要长期掉电不丢失的数据（如配置参数、校准值、用户设置等）。

STM32 中的 EEPROM 特点

1. 非易失性：断电后数据不会丢失，与 RAM（易失性）不同，无需持续供电维持数据。
2. 可擦写性：支持电擦除和重写（次数通常为 10 万次以上，具体取决于型号），但擦写速度比 RAM 慢，且有寿命限制。
3. 容量较小：STM32 芯片集成的 EEPROM 容量通常在几 KB 到几十 KB（例如 STM32F103 系列部分型号约 2KB，STM32L 系列因低功耗特性可能稍大），远小于 Flash（通常几十 KB 到几 MB）。
4. 独立于 Flash：虽然部分 STM32 型号（如早期 F1 系列）没有物理上独立的 EEPROM，而是通过Flash 模拟 EEPROM 功能（利用 Flash 的部分扇区实现类似 EEPROM 的擦写特性），但逻辑上仍作为专门的非易失性数据存储区使用。

代码：

#include "eeprom_at24c02.h"u8 EEPROM_WriteByte(u8 addr, u8 data)
{u8 retry = 3;u8 timeout = I2C_TIMEOUT;// 利用 retry 进行多次发送尝试，在 I2C 传递过程中，// 任何一个环节出现问题，直接重开！！！【I2C起始位】while (retry--){// 1. I2C 起始信号I2C_Start();/*2. 发送设备地址 + 写入标志位 【8位数据】同时利用 ACK 应答信号进行判断数据是否发送完成。*/if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){/*以上判断，如果返回 ACK[0] 表示一切正常，if 大括号内容不执行如果返回 NACK[1] 表示 I2C 无应答/未应答起始信号。【重新开始 I2C 发送，首先终止当前 I2C 流程】*/I2C_Stop(); // I2C 总线进入【空闲状态，所有设备停止通信。】continue;}/*3. 发送设备地址 + 写入标志位成功，开始进行目标寄存器地址发送*/if (I2C_SendByte(addr)){// 同理地址发送判断规则I2C_Stop();continue;}/*4. 明确告知当前 I2C EERPOM 存储设备，存储数据地址。进入数据发送阶段*/if (I2C_SendByte(data)){// 同理地址发送判断规则I2C_Stop();continue;}// 5. 数据发送完成，当前操作是单字节写入操作，MCU 发送 STOPI2C_Stop();/*数据发送完成之后 EERPOM 会进入到数据处理阶段，需要一定的时间，根据文档分析，当前周期时间一个字节需要 几 ms ，可以认为是 EERPOM 设备的【冥想模式】。此时EEPROM 不会应答外部的任何请求。数据处理完成之后，当前 EEPROM 会应答外部的数据内容。*/while (timeout--){// I2C 总线开始工作I2C_Start();/*发送设备地址 + 写入标志到之前接收数据的 EERPOM 芯片，等等当前 EEPROM 芯片应答，如果有 ACK(0) 表示设备数据处理完成，【MCU 数据发送成功，EEPROM 数据存储成功】如果始终位 NACK(1) 表示数据处理过程出现异常。*/if (!I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){I2C_Stop();return 0; // 表示数据存储成功}I2C_Stop();}}return 1; // 表示数据存储失败
}u8 EEPROM_ReadByte(u8 addr)
{// 读取操作同样设置尝试次数 3 次u8 retry = 3;u8 data = 0;while (retry--){// 1. 发送 I2C 起始形式，当前 I2C 所有设备 StandbyI2C_Start();/*2. 发送当前目标 I2C 设备地址 + 写入数据标志位*/if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){// 如果有问题 I2C 总线空闲 --> StopI2C_Stop();continue;}/*3. 目标读取寄存器地址*/if (I2C_SendByte(addr)){// 如果有问题 I2C 总线空闲 --> StopI2C_Stop();continue;}// 4. 根据 I2C 时序要求，MCU 再次发送起始信号I2C_Start();/*5. 发送当前目标 I2C 设备地址 + 读取数据标志位需要在 7 位设备地址最低位补充 1 读取数据标志位*/if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR | 0x01)){// 如果有问题 I2C 总线空闲 --> StopI2C_Stop();continue;}/*6. 直接利用  I2C_ReadByte 读取数据，同时 MCU 应答信息为 1 表示当前读取数据操作结束。*/data = I2C_ReadByte(1);/*7. I2C 停止信号*/I2C_Stop();return data;}return 0;
}u8 EEPROM_WritePage(u8 addr, u8 *buffer, u8 len)
{u8 i = 0;u8 timeout = I2C_TIMEOUT;// 如果用户要求写入的数据大于 8 个字节，恕难从命！！！if (len > 8){return 1;}// 1. I2C 起始信号I2C_Start();// 2. 目标设备地址 + 写入标志位if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){I2C_Stop();return 1;}// 3. 目标写入数据的起始位置。if (I2C_SendByte(addr)){I2C_Stop();return 1;}/*4. 重点【循环写入数据内容】 EEPROM 设备会自动根据开始位置和数据数量逐步累加地址，进行数据存取。*/for (i = 0; i < len; i++){if (I2C_SendByte(buffer[i])){I2C_Stop();return 1;}}// 5. I2C 停止位I2C_Stop();// 等待当前 EERPOM 数据存储完成，利用设备地址进行 I2C 设备唤醒// 如果 EEPROM 没有任何应答，表示当前设备在进行数据处理，有应答// 数据存储完毕while (timeout--){I2C_Start();if (!I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){I2C_Stop();return 0;}I2C_Stop();SysTick_Delay_ms(1);}return 1;
}u8 EEPROM_ReadPage(u8 addr, u8 *buffer, u8 len)
{u8 i = 0;// 最多一次处理 8 字节数据if (len > 8){return 1;}// 1. I2C 起始信号I2C_Start();// 2. 利用设备地址 + 写入数据标志位，找到目标设备if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR)){I2C_Stop();return 1;}// 3. 明确告知 EEPROM 读取数据的开始寄存器地址if (I2C_SendByte(addr)){I2C_Stop();return 1;}// 4. 重启起始位I2C_Start();// 5. 利用设备地址 + 读入数据标志位，找到目标设备if (I2C_SendByte(EEPROM_AT24C02_ADDR | 0x01)){I2C_Stop();return 1;}// 6，利用 for 循环接收当前设备发送到 MCU 的数据内容for (i = 0; i < len; i++){/*读取多个数据内容，需要明确当前操作 MCU 应答位情况MCU 发送应答信息 0 表示继续读取，EEPROM 会继续返回数据MCU 发送应答信息 1 表示停止读取，EEPROM 终止发送buffer 使用一个缓冲数组，假设需要读取数据长度为 4， 当前读取到下标为 3 的数据时，为最后一个数据内容，需要告知 EEPROM 停止发送 */if (i == len - 1){buffer[i] = I2C_ReadByte(1); // 告知 EEPROM 停止数据发送}else	{buffer[i] = I2C_ReadByte(0);}}// 7. I2C 停止位I2C_Stop();return 0;
}