当前位置：首页 > news >正文

STM32通信协议学习--I2C通信（了解）

news 2025/11/17 6:48:07

好的，我们来详细解读一下I2C通信。这是一个在嵌入式系统中极其重要且常用的通信协议，尤其是在连接多个传感器、存储器等外设时。

一、I2C 是什么？

I2C，全称Inter-Integrated Circuit，中文译为集成电路总线，是由飞利浦公司开发的一种简单的同步、半双工、串行、低速的通信总线。

同步：通信双方使用同一个时钟信号（SCL）来同步数据。
半双工：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。
串行：数据一位一位地依次传输。
多主从：一条总线上可以连接多个主设备（Master）和多个从设备（Slave）。

二、I2C 的核心特点与硬件结构

I2C总线最大的优点在于硬件连接极其简单，只需要两根线，非常适合板内短距离、低速的设备间通信。

1. 物理连接（只需要两根线）

线名称	全称	作用	备注
SCL	Serial Clock	时钟线，由主设备产生，用于同步数据。	两条线都是开源 drain或集电极开路结构，因此必须接上拉电阻。
SDA	Serial Data	数据线，用于传输实际的数据。

为什么需要上拉电阻？
因为I2C的物理结构是开源 drain。当总线空闲时，晶体管关闭，上拉电阻将SDA和SCL线拉至高电平；当需要输出低电平时，晶体管导通，将线拉至低电平。这种结构实现了"线与"功能，即只要有一个设备输出低电平，整条线就是低电平，这方便了时钟同步和仲裁。

2. 地址与从设备选择

在SPI通信中，每个从设备需要一根单独的片选线。而I2C通过地址来寻址，大大节省了引脚资源。

从设备地址：每个I2C从设备都有一个7位或10位的唯一地址（7位地址更常见）。例如，BME280气压传感器的地址可能是0x76。
寻址过程：主设备在发起通信时，首先在SDA线上发送一个目标从设备的地址字节，总线上所有的从设备都会收到这个地址，并与自己的地址进行比较。只有地址匹配的从设备才会响应主设备。

三、I2C 的通信协议与时序

理解I2C的通信协议，关键在于掌握几个关键的信号和数据传输单元。

1. 关键信号

信号	描述	时序图关键点
起始条件	当SCL为高电平时，SDA出现一个下降沿。表示一次传输的开始。	`SDA: 高 -> 低` `SCL: 高`
停止条件	当SCL为高电平时，SDA出现一个上升沿。表示一次传输的结束。	`SDA: 低 -> 高` `SCL: 高`
数据有效性	只有在SCL为低电平期间，SDA上的数据才允许改变。在SCL的上升沿，SDA上的数据被采样，视为有效数据。	改变数据时 `SCL: 低` 读取数据时 `SCL: 上升沿`
应答信号	接收器在成功接收到8位数据（一个字节）后，需要在第9个时钟脉冲期间拉低SDA，作为应答。	第9个时钟周期 `SDA: 低`
非应答信号	如果接收器没有拉低SDA（即SDA为高），则表示非应答，通常意味着传输失败或结束。	第9个时钟周期 `SDA: 高`

2. 完整的数据传输流程

一次完整的I2C通信序列由起始条件、从机地址帧、读写位、应答位、数据帧、停止条件组成。

1. 起始起始条件2. 发送地址与写命令3. 发送数据loop[发送N个字节]4. 停止条件START Condition (S)Send Slave Address (7 bits) + Write Bit (0)ACK (应答)Send Data Byte (8 bits)ACK (应答)STOP Condition (P)

从设备地址帧详解：
主设备发送的第一个字节由两部分组成：

高7位：从设备地址。
最低位：读写位。
- 0：表示主设备要写入数据到从设备。
- 1：表示主设备要读取从设备的数据。

读数据流程：
读取数据的过程稍复杂一些，它通常以一个写操作开头（用于告诉从设备要读取哪个寄存器地址），然后重新起始条件，再开始读操作。在读取数据的最后，主设备需要发送一个非应答信号，然后停止。

伪代码流程：读取一个I2C设备
1. 发送 START。
2. 发送从设备地址 + 写(0)。
3. 等待 ACK。
4. 发送要读取的寄存器地址（8位）。
5. 等待 ACK。
6. 发送 Repeated START（重新起始条件）。
7. 发送从设备地址 + 读(1)。
8. 等待 ACK。
9. 读取从设备返回的数据字节（8位）。
10. 主设备发送 NACK（非应答），表示读取结束。
11. 发送 STOP。

四、在STM32中使用I2C

在STM32中，你可以通过两种方式使用I2C。

1. 硬件I2C

STM32内部有专门的I2C外设控制器。你只需要配置好相应的GPIO（将引脚复用为I2C功能）、初始化I2C外设（时钟速度、模式等），然后就可以使用HAL库或LL库提供的API函数进行通信。

HAL库常用函数：

HAL_I2C_Master_Transmit()：主设备发送数据。
HAL_I2C_Master_Receive()：主设备接收数据。
HAL_I2C_Mem_Write()：向从设备的指定存储器地址写入数据（非常常用，相当于自动完成了“写地址-写寄存器地址-写数据”的流程）。
HAL_I2C_Mem_Read()：从从设备的指定存储器地址读取数据（非常常用）。

优点：效率高，不占用CPU时间。
缺点：STM32的硬件I2C在某些型号或早期固件库中可能存在bug，配置和使用相对复杂。

2. 软件模拟I2C

如果硬件I2C出现问题，或者你使用的引脚没有I2C硬件功能，你可以用任意两个GPIO引脚来模拟I2C的时序。

你将SDA和SCL配置为推挽输出。
通过代码控制这两个引脚的高低电平，并严格按照I2C的时序（起始、停止、应答等）来模拟整个通信过程。

优点：灵活，不受引脚限制，绝对可靠。
缺点：占用CPU资源，速度不如硬件I2C快。

五、常见问题与调试技巧

通信失败：
- 检查上拉电阻：没有上拉电阻或阻值过大（导致上升沿太慢）是最常见的问题。通常使用4.7kΩ的电阻。
- 检查地址：确认从设备地址是否正确（注意数据手册里是7位地址，而HAL库有时需要左移一位）。很多传感器可以通过改变引脚电平来修改地址。
- 用逻辑分析仪：这是调试I2C的终极武器，可以清晰地看到起始、地址、数据、应答等每一个波形，快速定位问题。
速度：
- I2C标准模式速度为100kbps，快速模式为400kbps，高速模式可达3.4Mbps。根据你的从设备支持的速度进行配置。

总结

特性	I2C
数据线数量	2根（SDA, SCL）
通信类型	同步，半双工
拓扑结构	多主从，总线式
寻址方式	软件地址（7位/10位）
优点	硬件简单，引脚资源占用少，支持多主从
缺点	速度相对较慢，协议稍复杂，需要上拉电阻