stm32——I2C协议

I2C协议概述

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I2C协议详解

概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）协议是由Philips（现NXP）开发的串行通信总线，用于连接微控制器和外围设备（如EEPROM、传感器、ADC/DAC等）。它是一种同步、半双工、多主多从的串行通信协议。

主要特点

• 两线制 ：仅使用两根线进行通信：
  • SCL (Serial Clock Line)：串行时钟线（由主设备生成）
  • SDA (Serial Data Line)：串行数据线（双向传输）
• 多主多从：总线上可连接多个主设备和多个从设备
• 半双工：同一时刻只能单向传输数据
• 地址寻址：每个从设备有唯一7位或10位地址
• 开漏输出：SCL和SDA均为开漏输出，需外接上拉电阻（4.7kΩ或10kΩ）
• 线与逻辑：支持多主设备仲裁

连接拓扑

SCL SDA SCL SDA SCL SDA SCL SDA Master 1 SCL总线 Master 2 Slave 1 Slave 2 上拉电阻

核心原理

1. 起始条件（Start Condition）

• SCL高电平时，SDA从高→低跳变
• 主设备获取总线控制权

SDA: -----|________
        |
SCL: _____|

2. 停止条件（Stop Condition）

• SCL高电平时，SDA从低→高跳变
• 主设备释放总线

SDA: ________|-----
        |
SCL: _______|

3. 数据传输

• 数据在SCL高电平期间保持稳定
• 数据变化发生在SCL低电平期间
• 8位数据，MSB（最高位）优先

SDA: --Bit7--Bit6--...--Bit0--
      _   _   _   _   _   _   _   _
SCL: | |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |

4. 应答机制（ACK/NACK）

每字节传输后的第9个时钟周期：

• ACK：接收方拉低SDA（成功接收）
• NACK：接收方保持SDA高电平（接收失败）

SDA: ... Bit0 | ACK/NACK
             _
SCL: ... Bit0|_| 

5. 地址帧

• 起始条件后发送
• 7位地址 + 1位R/W方向位：
  • R/W=0：主→从写操作
  • R/W=1：主←从读操作
• 地址匹配的从设备回复ACK

通信时序

写操作时序（主→从）

主设备: [START] → [Addr+W] → [Data1] → [Data2] → [STOP]
从设备:           [ACK]     → [ACK]     → [ACK]

读操作时序（主←从）

主设备: [START] → [Addr+R] → [NACK] → [STOP]
从设备:           [ACK]     → [Data1] → [Data2]

STM32实现（HAL库）

初始化流程

int main(void) {
  HAL_Init();                  // 1. HAL库初始化
  SystemClock_Config();        // 2. 系统时钟配置
  MX_GPIO_Init();              // 3. GPIO初始化
  MX_I2C1_Init();              // 4. I2C外设初始化
  
  while(1) {
    // 数据传输操作
  }
}

GPIO配置示例

static void MX_GPIO_Init(void) {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOB时钟
  
  // 配置PB6(SCL), PB7(SDA)
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;  // 开漏复用
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;      // 上拉电阻
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

I2C外设配置

static void MX_I2C1_Init(void) {
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.Timing = 0x00702999;       // 时序配置（根据时钟计算）
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;          // 主模式设为0
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

数据传输操作

// 写操作示例
#define SLAVE_ADDR 0x68 << 1  // 7位地址左移1位
uint8_t txData[] = {0x00, 0x01, 0x02}; 

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDR, txData, 3, 100);

// 读操作示例（先写寄存器地址，再读数据）
uint8_t regAddr = 0x32;
uint8_t rxData[2];

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDR, &regAddr, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDR, rxData, 2, 100);

高级模式

// 中断模式
HAL_I2C_Master_Transmit_IT(&hi2c1, SLAVE_ADDR, txData, 3);

// DMA模式
HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, SLAVE_ADDR, txData, 3);

// 回调函数
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
  // 传输完成处理
}

注意事项

1. 上拉电阻必须：SCL/SDA线需外接4.7kΩ-10kΩ上拉电阻
2. 地址格式：HAL库使用8位地址（7位地址左移1位）
3. 时钟频率：确保主从设备支持相同速率（标准100kHz/快速400kHz）
4. 错误处理 ：检查HAL函数返回值，处理常见错误：
   • HAL_ERROR：总线错误（ACK未收到）
   • HAL_TIMEOUT：操作超时
5. 时钟延长：STM32默认支持从设备时钟延长功能
6. 重复起始条件：HAL库在读写组合操作中自动处理
7. 信号完整性：长距离通信需考虑总线电容和信号干扰

协议对比（SPI vs I2C）

特性	SPI	I2C
线数	4线（最小）	2线
速度	高（可达50MHz+）	中（最大3.4MHz）
传输模式	全双工	半双工
拓扑结构	主从（支持菊花链）	多主多从
寻址方式	硬件片选(CS)	软件地址
错误检测	无内置机制	ACK/NACK机制
引脚占用	随从设备增加而增加	固定2线
复杂度	硬件简单，协议简单	硬件简单，协议较复杂

STM32 I2C操作的整体流程（HAL库）

1. GPIO初始化：配置I2C相关的GPIO引脚（SCL、SDA）为开漏复用功能，净化能上拉。
2. I2C外设时钟使能： 使能I2C外设时钟。
3. I2C外设置初始化：配置I2C的工作模式（主/从）、参与、地址（如果是从设备模式）等参数。
4. 数据传输：调用HAL库提供的发送、接收函数。

STM32 I2C函数操作顺序（使用STM32CubeIDE生成的HAL库为例）

假设我们使用STM32CubeIDE生成了项目，并且已经配置好I2C外设。以下是核心的代码片段和函数调用顺序：

2.1. 物品工作（通常由CubeIDE自动生成）

在main.c文件中，你会看到以下结构：

// 定义一个I2C句柄
I2C_HandleTypeDef hi2c1; // 假设使用I2C1

// GPIO初始化函数声明
static void MX_GPIO_Init(void);
// I2C初始化函数声明
static void MX_I2C1_Init(void);

int main(void)
{
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init(); // 1. HAL库初始化

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config(); // 2. 系统时钟配置

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();   // 3. GPIO初始化
  MX_I2C1_Init();   // 4. I2C外设初始化

  /* Infinite loop */
  while (1)
  {
    /* Add user code here */
  }
}

2.2. GPIO 初始化函数 ( MX_GPIO_Init)

该函数通常由CubeIDE根据你在GPIO配置页面的设置自动生成。它使能GPIO时钟，并配置各个引脚的模式、上下拉、速度等。

// Example: GPIO init for I2C1 (uses PB6 for SCL, PB7 for SDA)
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOB clock (assuming I2C1 uses PB6, PB7)

  /*Configure GPIO pins : PB6 (SCL), PB7 (SDA) */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7; // SCL, SDA
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD; // Alternate Function Open-Drain (开漏)
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉电阻 (很重要！)
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; // High speed for I2C
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1; // Set alternate function to I2C1
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

2.3. I2C外设初始化函数 ( MX_I2C1_Init)

该函数也是由CubeIDE自动生成，负责配置I2C的各种工作参数。

static void MX_I2C1_Init(void)
{
  /* I2C1 parameter configuration*/
  hi2c1.Instance = I2C1; // 选择I2C1外设

  // !!! 对于STM32G0/G4/H7等新的I2C，需要配置Timing Register !!!
  // 这个值需要根据你的系统时钟和I2C速度（如100kHz, 400kHz）通过STM32CubeIDE计算或手册查找
  // 例如，对于48MHz系统时钟，100kHz I2C，可能是0x10901021UL
  hi2c1.Init.Timing = 0x00702999; // 这是一个示例值，请根据实际情况配置

  // 如果是较旧的STM32F系列，可能需要配置以下参数而不是Timing
  // hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000; // 100kHz
  // hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 占空比
  // hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; // 主设备模式下为0
  // hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 7位地址
  // hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 禁用双地址
  // hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  // hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 禁用通用呼叫
  // hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE; // 禁用时钟延长

  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; // 主设备模式下，自身地址通常不重要
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 7位地址模式
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;

  // 调用HAL库函数进行I2C初始化
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler(); // 初始化失败，调用错误处理函数
  }

  // 使能模拟降噪滤波器（可选，CubeIDE默认开启）
  if (HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter(&hi2c1, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  // 使能数字降噪滤波器（可选，CubeIDE默认开启）
  if (HAL_I2CEx_ConfigDigitalFilter(&hi2c1, 0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

函数操作顺序总结（初始化阶段）：

1. HAL_Init(): 初始化HAL库。

2. SystemClock_Config()：配置系统时钟。

MX_GPIO_Init()

• __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()：使能相关GPIO端口的时钟。
• HAL_GPIO_Init()：配置I2C引脚为开漏复用功能 和上拉。

MX_I2C1_Init()

• __HAL_RCC_I2Cx_CLK_ENABLE()：使能I2C外设定的时钟。
• 配置hi2c1结构体成员（Instance,Timing或ClockSpeed等）。
• HAL_I2C_Init(&hi2c1): 调用HAL库函数执行I2C硬件初始化。
• （任选）HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter()/ HAL_I2CEx_ConfigDigitalFilter(): 配置滤波器。

2.4. 数据传输操作（作为主设备）

在main函数的while(1)循环中，可以执行数据传输操作。

写入操作（主设备向从设备写数据）：

#define SLAVE_ADDRESS_WRITE 0x68 << 1 // 假设从设备地址是0x68 (ADXL345)，左移1位因为HAL库期望的是8位地址 (包含R/W位)

uint8_t txData_write[] = {0x00, 0x01, 0x02}; // 第一个字节通常是内部寄存器地址，后面是要写入的数据
HAL_StatusTypeDef status;

// 1. 向从设备写入数据
// HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS_WRITE, txData_write, sizeof(txData_write), HAL_MAX_DELAY);
if (status != HAL_OK)
{
    // 错误处理，例如：
    if (status == HAL_ERROR) {
        // 总线错误，如ACK未收到
    } else if (status == HAL_TIMEOUT) {
        // 超时
    }
    Error_Handler();
}
HAL_Delay(10); // 延时等待从设备处理

读取操作（主设备从从设备读取数据）：

• 场景1：直接读取（某些设备支持，不常用，通常需要先读取接收地址）

  #define SLAVE_ADDRESS_READ 0x68 << 1 // 从设备地址
  uint8_t rxData_read[5]; // 接收5个字节
  
  // 1. 从从设备读取数据
  status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS_READ, rxData_read, sizeof(rxData_read), HAL_MAX_DELAY);
  if (status != HAL_OK)
  {
      Error_Handler();
  }
  HAL_Delay(10);

• 场景2：先读取寄存器地址，再从该寄存器读取数据（最常用）

  #define SLAVE_ADDRESS 0x68 << 1 // 从设备地址
  uint8_t regAddress = 0x32; // 假设要读取的寄存器地址
  uint8_t rxData_reg[2]; // 接收2个字节数据
  
  // 1. 向从设备写入要读取的寄存器地址 (这里TxData只有一个字节：寄存器地址)
  status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS, &regAddress, 1, HAL_MAX_DELAY);
  if (status != HAL_OK)
  {
      Error_Handler();
  }
  
  // 2. 紧接着，从该从设备读取数据 (HAL库内部会处理重复起始条件)
  status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS, rxData_reg, sizeof(rxData_reg), HAL_MAX_DELAY);
  if (status != HAL_OK)
  {
      Error_Handler();
  }
  HAL_Delay(10);

函数操作顺序总结（数据传输阶段 - 支撑模式）：

1. 写操作

   HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, DevAddress, pData, Size, Timeout)

   ：主设备向从设备发送数据。

   • DevAddress：从设备的7位地址左移1位，并包含读写位（写操作时为0）。
   • pData: 指向要发送数据的弧度。
   • Size: 要发送的数据字节数。
   • Timeout: 超时时间。

2. 读操作

   • 方法一（直接读取）

     HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c, DevAddress, pData, Size, Timeout)

     主设备从从设备接收数据。

     • DevAddress：从设备的7位地址左移1位，并包含读写位（读操作时为1）。

   • 方法二（先写注册地址再读，推荐）

     • HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, DevAddress, &RegAddress, 1, Timeout): 发送地址。
     • HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c, DevAddress, pData, Size, Timeout): 接收数据。

2.5. 中断和DMA模式（高级应用）

与SPI类似，I2C也支持中断和DMA模式，以提高CPU利用率和数据吞吐量。

中断模式：

1. 使能I2C中断

   MX_I2C1_Init()

   之后，通常会包含以下代码（或在CubeIDE中勾选）：

   HAL_NVIC_SetPriority(I2C1_EV_IRQn, 0, 0); // 设置事件中断优先级
   HAL_NVIC_EnableIRQ(I2C1_EV_IRQn); // 使能I2C1事件中断
   HAL_NVIC_SetPriority(I2C1_ER_IRQn, 0, 0); // 设置错误中断优先级
   HAL_NVIC_EnableIRQ(I2C1_ER_IRQn); // 使能I2C1错误中断

2. 传输函数

   • HAL_I2C_Master_Transmit_IT(&hi2c, DevAddress, pData, Size)
   • HAL_I2C_Master_Receive_IT(&hi2c, DevAddress, pData, Size)

3. 中断回调函数

   • HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(&hi2c)：主设备发送完成回调
   • HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(&hi2c)：主设备接收完成回调
   • HAL_I2C_ErrorCallback(&hi2c): 错误回调

DMA模式：

1. 配置DMA通道：在CubeIDE中配置DMA（Tx和Rx）。
2. 传输函数
   • HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c, DevAddress, pData, Size)
   • HAL_I2C_Master_Receive_DMA(&hi2c, DevAddress, pData, Size)
3. DMA中断回调函数：与中断模式类似，DMA传输完成后会触发对应的I2C回调函数。

函数操作顺序总结（中断/DMA模式）：

1. 初始化阶段
   • 确定中断或DMA配置正确（使能中断/DMA通道，设置优先级）。
   • HAL_I2C_Init()内部会处理中断使能（如果是中断模式）或DMA关联。
2. 传输等级
   • 调用HAL_I2C_Master_Transmit_IT/DMA()或HAL_I2C_Master_Receive_IT/DMA()。这些函数会立即返回。
   • 在主程序中，可以执行其他任务。
   • 等待或响应回调 ：在HAL_I2C_MasterTxCpltCallback或HAL_I2C_MasterRxCpltCallback中处理数据完成的逻辑。
   • 处理HAL_I2C_ErrorCallback中的错误。

3、注意事项

• 上拉电阻：I2C通道必须连接外部上拉电阻，否则无法正常工作。
• 地址 ：从设备的I2C地址通常是7位的。在HAL库中，格式化的DevAddress参数是8位的，即7位地址左移1位，最低位用于表示读/写方向。例如，如果从设备地址是0x68，那么写入时格式0x68 << 1（即0xD0），读取时也格式0x68 << 1（即0xD0），HAL库会自动处理读写位。
• 时钟频率：I2C的时钟频率通常有标准模式（100kHz）、快速模式（400kHz）和快速模式+（1MHz）。一定要保证主从设备的时钟频率兼容。
• 重复起始条件 ：对于大多数先读写寄存器再读取数据需要的I2C设备，HAL库的HAL_I2C_Master_Transmit()和HAL_I2C_Master_Receive()组合使用时，会自动在两次传输之间生成一个重复起始条件，这是非常方便的。
• 错误处理：I2C通信比较复杂，容易出现ACK错误、存储器丢失、超时等问题。一定要检查HAL函数的返回值，并在出现错误时进行适当处理（例如，重试、停止发送条件复位初始化等）。
• 时钟延长（Clock Stretching）：从设备可以在SCL线低电平来"暂停"通信，直到它准备好继续延续。STM32 I2C外设默认保持支持时钟延长。