【STM32实践篇】：I2C驱动编写

文章目录

• [I2C 物理层](#I2C 物理层)
• [I2C 协议层](#I2C 协议层)
• • [1. 数据有效性](#1. 数据有效性)
  • [2. 起始和停止信号](#2. 起始和停止信号)
  • [3. 应答响应](#3. 应答响应)
  • [4. 总线的寻址方式](#4. 总线的寻址方式)
  • [5. 数据传输](#5. 数据传输)
  • • [5.1 主机向从机发送数据](#5.1 主机向从机发送数据)
    • [5.2 主机由从机中读数据](#5.2 主机由从机中读数据)
    • [5.3 I2C通信复合格式](#5.3 I2C通信复合格式)
• [I2C 驱动编写](#I2C 驱动编写)
• • [1. 配置 SCL 和 SDA](#1. 配置 SCL 和 SDA)
  • [2. I2C起始信号和停止信号](#2. I2C起始信号和停止信号)
  • [3. 等待从设备应答](#3. 等待从设备应答)
  • [4. 主机发送ACK和NACK信号](#4. 主机发送ACK和NACK信号)
  • [5. 发送一个Byte](#5. 发送一个Byte)
  • [6. 接收一个Byte](#6. 接收一个Byte)
  • [7. 函数声明](#7. 函数声明)

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I2C 物理层

两条信号线：

1. SCL (Serial Clock Line)： 时钟信号线，连接主设备MCU 和所有从设备Device A, B, C；主设备控制SCL时钟的生成和频率。

2. SDA (Serial Data Line)： 数据信号线，与SCL平行，连接主设备和所有从设备；所有的数据（地址、命令、实际数据）都通过这条线在设备间双向传输。

共享总线架构：

1. 多个设备共享物理连接 ：所有通信通过这两条线进行，无论MCU与哪个设备通信，都使用SDA和SCL这两条线；设备通过唯一地址被寻址。

开漏输出 (Open-Drain)：

每一个连接到SDA或SCL线的点，其输出驱动器都是一个开漏结构，这意味着：

1. 器件只能主动拉低信号线（将信号导通到GND）。

2. 器件无法主动驱动信号线为高电平，它只能释放总线（关闭MOS管），让信号线自然上浮。

上拉电阻 (Pull-up Resistors)：

由于总线上所有设备都使用开漏输出，它们无法主动输出高电平，上拉电阻为总线提供高电平。

1. 当所有设备都不主动拉低总线时，上拉电阻会将SDA和SCL线拉至高电平 ≈Vcc，这是总线的空闲状态（Idle State）。

2. 当某个设备需要发送低电平时，它只需激活其开漏输出，将总线拉低到GND 0V，上拉电阻限制了此时流过该MOS管的电流。

I2C 协议层

1. 数据有效性

1. SCL 高电平期间 ：要求数据稳定，接收端设备是在SCL时钟的上升沿或其前后很短时间窗内对SDA线上的数据进行采样读取的，此时数据必须稳定，才能确保接收方采样到正确无误的值。

2. SCL 低电平期间 ：允许数据变化，此时SCL为低，所有设备都知道当前不是采样时刻，发送端可以切换电平来设置下一个比特（0或1）。

2. 起始和停止信号

1. ​起始信号 (Start Condition - S)：当 SCL 线处于稳定的 高电平 状态时，SDA 线发生一个从 高电平 到 低电平 的下降沿跳变。

2. 终止信号 (Stop Condition - P)：当 SCL 线处于稳定的 高电平 状态时，SDA 线发生一个从 低电平 到 高电平 的上升沿跳变。​

3. 应答响应

每当发送器件传输完一个字节的数据后，后面必须紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应。

响应包括 应答(ACK) 和 非应答(NACK) 两种信号。

作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送 应答(ACK) 信号即低电平脉冲，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送 非应答(NACK) 信号即高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

4. 总线的寻址方式

D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为 0 时表示主机向从机写数据，为 1 时表示主机由从机读数据。

当主机发送了一个地址后，总线上的每个器件都将头7位与它自己的地址比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，其他地址不同的器件将被忽略后面的数据信号。至于是从机接收器还是从机发送器，都由R/W位决定。

5. 数据传输

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/W），用"0"表示主机发送（写）数据（W），"1"表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

5.1 主机向从机发送数据

IIC主机向从机写数据的过程为：主机先发起始信号S，接着发送含写标志位（0）的从机地址，若从机回应答A ，主机持续发送数据帧（每帧后从机应答A ）；最后一帧数据发送后，从机回A / A ‾ \overline{A} A ，主机再发终止信号P ，完成写操作。

5.2 主机由从机中读数据

IIC主机从从机读数据的过程为：主机先发起始信号S，接着发送含读标志位（1）的从机地址，从机回应答A后，从机开始发送数据帧；主机对中间数据帧回应答A ，最后一帧数据传输时主机回非应答 A ‾ \boldsymbol{\overline{A}} A ，随后主机发送终止信号P ，完成读数据操作。

5.3 I2C通信复合格式

IIC 传送过程中需改变方向时，主机先按初始方向（如写，方向位为 0 ）发起始信号 S 、发送从机地址 + 方向位，完成该方向数据传输；随后重发起始信号 S ，再次发送同一从机地址，且读 / 写方向位与初始方向反相（如改为读，方向位为 1 ），从而实现传送方向切换，继续后续数据交互。

I2C 驱动编写

我们使用的是软件模拟I2C，所以在配置管脚输出类型时，选择推挽输出即可，如果配置为开漏输出也是可以的，但是需要引脚外接上拉电阻。

1. 配置 SCL 和 SDA

使用PB8作为SCL，PB9作为SDA

iic.h

#ifndef _IIC_H
#define _IIC_H

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdint.h>

// =====================================================
// SCL时钟线配置
#define IIC_SCL_PORT        GPIOB       // SCL端口
#define IIC_SCL_PIN         GPIO_PIN_8  // SCL引脚

// SDA数据线配置
#define IIC_SDA_PORT        GPIOB       // SDA端口
#define IIC_SDA_PIN         GPIO_PIN_9  // SDA引脚
// =====================================================

// IO操作宏
#define IIC_SCL_HIGH()      HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)      // SCL置高
#define IIC_SCL_LOW()       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)    // SCL置低
#define IIC_SDA_HIGH()      HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)      // SDA置高
#define IIC_SDA_LOW()       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)    // SDA置低
#define READ_SDA()          HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)                     // 读取SDA状态

// 时序参数宏：定义IIC通信时序延迟（单位：微秒）
#define IIC_DELAY()         delay_us(2)  // 标准时序延迟（适用于数据位变化）
#define IIC_START_DELAY()   delay_us(5)  // 起始/停止信号额外延迟（确保信号稳定）

#endif

iic.c

#include "iic.h"
#include "SysTick.h"  // 确保包含延时函数头文件

static void SDA_OUT(void);  // 配置SDA为输出模式
static void SDA_IN(void);   // 配置SDA为输入模式

/**
  * @brief  IIC总线初始化
  * @note   配置SCL和SDA引脚为推挽输出模式，并释放总线
  */
void IIC_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 使能GPIOB时钟
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    // 配置SCL和SDA引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_PIN | IIC_SDA_PIN;  // 同时配置两个引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;       // 推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;               // 内部上拉（确保总线空闲时为高电平）
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;     // 高速模式
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    
    // 初始状态：总线释放（SCL和SDA均为高电平）
    IIC_SDA_HIGH();
    IIC_SCL_HIGH();
}

/**
  * @brief  配置SDA为输出模式
  * @note   在主机需要控制SDA线时调用（发送数据/地址时）
  */
static void SDA_OUT(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {
        .Pin = IIC_SDA_PIN,
        .Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP,   // 推挽输出
        .Pull = GPIO_PULLUP,           // 上拉电阻使能
        .Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH  // 高速模式
    };
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

/**
  * @brief  配置SDA为输入模式
  * @note   在主机需要读取SDA线时调用（接收数据/ACK时）
  */
static void SDA_IN(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {
        .Pin = IIC_SDA_PIN,
        .Mode = GPIO_MODE_INPUT,       // 输入模式
        .Pull = GPIO_PULLUP,           // 上拉电阻使能
        .Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH  // 高速模式
    };
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2. I2C起始信号和停止信号

/**
  * @brief  产生IIC起始信号
  * @note   时序：SCL高电平时，SDA从高变低
  */
void IIC_Start(void) {
    SDA_OUT();          // 确保SDA为输出模式
    IIC_SDA_HIGH();     // SDA置高
    IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高
    IIC_START_DELAY();  // 保持起始条件建立时间
    
    IIC_SDA_LOW();      // START信号：SCL高时SDA从高变低
    IIC_DELAY();        // 保持SDA低电平时间
    IIC_SCL_LOW();      // 钳住总线，准备发送数据
}

/**
  * @brief  产生IIC停止信号
  * @note   时序：SCL高电平时，SDA从低变高
  */
void IIC_Stop(void) {
    SDA_OUT();          // 确保SDA为输出模式
    IIC_SCL_LOW();      // 确保SCL为低（数据稳定期）
    IIC_SDA_LOW();      // SDA置低（准备停止信号）
    IIC_DELAY();        // 延迟
    
    IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高
    IIC_START_DELAY();  // 保持停止条件建立时间
    IIC_SDA_HIGH();     // STOP信号：SCL高时SDA从低变高
    IIC_DELAY();        // 确保总线释放
}

3. 等待从设备应答

/**
  * @brief  等待从设备应答
  * @retval 0: 收到ACK应答
  *         1: 未收到ACK（超时）
  */
uint8_t IIC_Wait_Ack(void) {
    uint8_t wait_time = 0;
    
    SDA_IN();           // 配置SDA为输入模式
    IIC_SDA_HIGH();     // 释放SDA线（由上拉电阻拉高）
    IIC_DELAY();        // 短暂延时
    
    IIC_SCL_HIGH();     // 主机拉高SCL，从机应在此时拉低SDA
    IIC_DELAY();        // 等待从机响应
    
    // 检测SDA是否为低电平（ACK信号）
    while(READ_SDA() == GPIO_PIN_SET) {
        if(++wait_time > 250) {   // 超时检测（约500us）
            IIC_Stop();           // 终止通信
            return 1;             // 超时失败
        }
        delay_us(2);              // 微小延时避免忙等
    }
    
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，结束ACK检测
    return 0;           // 成功收到ACK
}

4. 主机发送ACK和NACK信号

/**
  * @brief  产生ACK应答信号
  * @note   主机在接收数据后发送ACK（继续接收）
  */
void IIC_Ack(void) {
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低（数据变化期）
    SDA_OUT();          // 控制SDA线
    IIC_SDA_LOW();      // SDA置低（ACK信号）
    IIC_DELAY();        // 数据建立时间
    
    IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高（ACK有效）
    IIC_DELAY();        // 保持ACK时间
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，结束ACK
}

/**
  * @brief  产生NACK非应答信号
  * @note   主机在接收数据后发送NACK（结束接收）
  */
void IIC_NAck(void) {
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低（数据变化期）
    SDA_OUT();          // 控制SDA线
    IIC_SDA_HIGH();     // SDA置高（NACK信号）
    IIC_DELAY();        // 数据建立时间
    
    IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高（NACK有效）
    IIC_DELAY();        // 保持NACK时间
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，结束NACK
}

5. 发送一个Byte

/**
  * @brief  IIC发送一个字节
  * @param  txd: 要发送的字节数据
  * @note   高位先发，每个时钟周期发送1位
  */
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd) {
    SDA_OUT();          // 确保SDA为输出模式
    IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，开始数据传输
    
    // 循环发送8位数据（MSB first）
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        // 根据数据最高位设置SDA
        (txd & 0x80) ? IIC_SDA_HIGH() : IIC_SDA_LOW();
        txd <<= 1;      // 左移准备下一位
        
        IIC_DELAY();    // 数据建立时间
        IIC_SCL_HIGH(); // 产生上升沿，从机采样数据
        IIC_DELAY();    // 保持高电平时间
        IIC_SCL_LOW();  // 产生下降沿，准备下一位
        IIC_DELAY();    // 数据保持时间
    }
}

6. 接收一个Byte

/**
  * @brief  IIC读取一个字节
  * @param  ack: 是否发送应答（1=ACK, 0=NACK）
  * @retval 读取到的字节数据
  * @note   高位先收，每个时钟周期读取1位
  */
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack) {
    uint8_t receive = 0;
    
    SDA_IN();           // 配置SDA为输入模式
    
    // 循环读取8位数据（MSB first）
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        IIC_SCL_LOW();  // 确保SCL为低（数据变化期）
        IIC_DELAY();    // 从机准备数据时间
        
        IIC_SCL_HIGH(); // 产生上升沿，主机采样数据
        receive <<= 1;  // 左移接收寄存器
        if(READ_SDA()) receive |= 0x01; // 读取SDA状态并存储
        IIC_DELAY();    // 保持高电平时间
    }
    
    // 根据参数发送ACK/NACK
    ack ? IIC_Ack() : IIC_NAck();
    return receive;
}

7. 函数声明

// IIC操作函数声明
// =====================================================
void IIC_Init(void);                // IIC总线初始化
void IIC_Start(void);               // 发送IIC起始信号
void IIC_Stop(void);                // 发送IIC停止信号
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd);    // IIC发送一个字节
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack); // IIC读取一个字节（ack=1发送ACK，ack=0发送NACK）
uint8_t IIC_Wait_Ack(void);         // 等待从设备应答（0=成功，1=失败）
void IIC_Ack(void);                 // 发送ACK应答信号
void IIC_NAck(void);                // 发送NACK非应答信号
// =====================================================

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