单片机 - STM32软件模拟IIC通信中delay_us的使用规律全解析（含口诀与源码详解）

STM32软件模拟IIC通信中delay_us的使用规律全解析（含口诀与源码详解）

本文关键词：STM32、IIC、软件模拟、delay_us、时序控制、应答机制、位操作

一、写在前面：为什么我们需要自己"模拟"IIC？

STM32大多数型号都自带硬件I2C模块，那么为什么还需要我们手动"模拟"IIC总线呢？

以下几种情况，是你迟早会碰到的"不得不软模拟"的场景：

多个 I2C 器件地址冲突，而 STM32 的硬件 I2C 模块有限
硬件 I2C 某些功能限制（如不支持10位地址）
调试需求：我们希望直接掌控SCL/SDA线，方便逻辑分析仪抓波形
部分低端芯片无I2C模块，纯GPIO只能靠自己模拟

这时候，我们就需要用两个GPIO口（SCL 和 SDA）模拟整个通信过程。

而为了让这种"假装"的IIC让从设备"信以为真"，我们必须精确地模拟它的时序特征。

二、IIC协议核心时序图解

图示来自官方IIC协议文档，建议打印出来贴在桌子上

从图中我们可以看到：

起始条件（START）：SCL高电平期间，SDA由高变低
停止条件（STOP）：SCL高电平期间，SDA由低变高
数据发送/接收：数据在SCL低电平时准备，在SCL上升沿被采样
ACK应答：第9个时钟周期，从机在SDA线上拉低表示"我收到了"

结论：

IIC的核心时序规则是："数据在线上必须在SCL上升沿前稳定"

这也是我们使用 delay_us() 来保证"稳定"、"采样"、"响应"的根本原因。

三、delay_us() 的使用原则总结

1. 时钟切换前后，需要适当延时

避免数据/时钟突变太快，造成信号抖动、误采样

2. SDA 在 SCL 低电平期间变换，之后再延时使其稳定

用于确保"数据稳定后再采样"的条件

3. SCL 上升后延时，留时间给接收方采样

从设备一般在SCL上升沿采样SDA

4. 用于构造起始/停止条件的"边沿切换"

四、口诀记忆：助你不背协议也能写出稳定代码

"SCL拉低先准备，SCL拉高等稳定。"

这句口诀几乎可以涵盖所有 delay_us 出现的关键位置。

解释：

SCL拉低先准备 ：

无论是发送数据、起始条件、发送ACK，都必须先拉低SCL，才能改变SDA的电平。
SCL拉高等稳定 ：

发送完数据之后，要拉高SCL让从机读取，但不能立刻切换，要等几微秒确保从机确实采样完成。

五、delay_us() 的使用场景归纳

序号	场景	示例	推荐延时时间
1	设置 SDA 后拉高 SCL（发送/接收）	IIC_SDA_H; delay_us(3); IIC_SCL_H;	3~5 us
2	SCL 拉高后等待采样完成	IIC_SCL_H; delay_us(5);	5 us
3	起始条件 SDA 下降沿	SCL 高电平期间 SDA 拉低	5 us
4	停止条件 SDA 上升沿	SCL 高电平期间 SDA 拉高	5 us
5	主机接收应答信号前等待	IIC_SCL_H; delay_us(5);	5 us
6	SDA 设置为输入状态前	IIC_SDA_H; delay_us(3);	2~3 us

说明：以上延时值以 STM32F4@72MHz 为基础，适配绝大多数 IIC 设备。

六、详细示例：发送一个字节并等待ACK（带注释）

c 复制代码

// 发送一个字节，返回从机是否应答（0表示ACK，1表示NACK）
uint8_t IIC_SendByte(uint8_t Byte)
{
    uint8_t i, ack;

    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        // 步骤1：拉低SCL准备设置数据
        IIC_SCL_L;
        delay_us(3); // 等待数据线准备时间

        // 步骤2：根据当前bit设置SDA
        if(Byte & (0x80 >> i)) // 从高位到低位依次发送
        {
            IIC_SDA_H;
        }
        else
        {
            IIC_SDA_L;
        }

        delay_us(2); // 设置数据后稍等，确保数据稳定

        // 步骤3：拉高SCL，让从机采样数据
        IIC_SCL_H;
        delay_us(5); // 等待从机采样

        // 步骤4：循环下一位
    }

    // 步骤5：接收从机应答
    ack = IIC_RecvAck();

    // 步骤6：拉低SCL，为下次传输做准备
    IIC_SCL_L;

    return ack;
}

七、错误案例分析（不加delay或加错）

错误1：不加delay_us()

c 复制代码

IIC_SDA_H;
IIC_SCL_H; // 没有delay，直接拉高，可能采样失败

分析：SDA刚设置，SCL就拉高，接收端可能采样到错误数据，导致通信失败。

错误2：SDA在SCL高电平时变动

c 复制代码

IIC_SCL_H;
IIC_SDA_L; // 协议明令禁止此种操作（除非是起始/停止条件）

分析：违反IIC规范，会被从机误判为START或STOP，整个通信中断。

八、实战建议：如何灵活调整延时

建议使用宏定义统一管理延时

c 复制代码

#define IIC_DELAY_SHORT delay_us(3)
#define IIC_DELAY_LONG  delay_us(5)

好处：

可以方便地调整通信速率（例如调到400kHz时，统一换成delay_us(1)）
修改延时只需要改一处，项目维护更轻松

九、进阶技巧：是否能不加delay_us？

可以，但前提是：

使用硬件I2C（由I2C控制器保证时序）
利用定时器精确控制输出波形（一般不推荐）
使用DMA+事件同步（复杂程度显著上升）

在大多数场景下，手动加 delay_us() 是最经济、最直观、最容易调试的做法。

十、总结：掌握IIC模拟的时序本质

本文系统总结了 delay_us() 在软件模拟IIC中的具体作用、使用场景、推荐时间、口诀记忆、详细代码，以及错误分析与调试建议。

请记住：

模拟 IIC 不是盲目地 "拉高拉低"，而是严格执行一套时间策略
delay_us() 并不浪费资源，而是让时序"像真的一样"
稳定优先于速度，特别是 EEPROM、OLED、MPU6050 等外设对时序非常敏感

十一、推荐阅读与参考

《STM32F4参考手册》：GPIO操作与时钟频率部分
IIC协议规范（NXP官方文档）
EEPROM AT24C02 数据手册
《嵌入式C语言实战：驱动篇》

如果你对 EEPROM 读写、MPU6050 姿态读取、OLED 显示等感兴趣，后续我还会更新一整套基于 STM32 的 IIC 项目实战。

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(完)