STM32中I2C协议详解

景彡先生2025-07-10 16:41

前言

在嵌入式系统中，设备间的短距离通信协议中，I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路互连）以其信号线少、布线简单、支持多从机等特点，被广泛应用于传感器、EEPROM、OLED屏等中低速外设的通信场景。与SPI的高速全双工和UART的异步简单相比，I2C仅需2根线即可实现多设备间的半双工通信，在资源受限的嵌入式系统中极具优势。

本文将从I2C协议基础出发，系统解析STM32 I2C外设的工作原理、硬件设计要点、软件配置流程及实战案例，涵盖寄存器级编程、HAL库应用、中断与DMA传输等核心内容，并提供详细的调试技巧与常见问题解决方案，旨在帮助嵌入式开发者全面掌握STM32中I2C的应用。

一、I2C协议基础

1.1 什么是I2C？

I2C是一种由飞利浦（现恩智浦）公司开发的同步串行通信协议，主要用于短距离、低速设备间的通信（通常速率≤400kbps，高速模式可达3.4Mbps）。其核心特点包括：

  • 双线通信：仅需SCL（Serial Clock，串行时钟）和SDA（Serial Data，串行数据）两根信号线；
  • 多从机支持：通过7位或10位地址区分从机，总线上可连接多个从机（理论上最多127个7位地址设备）；
  • 主从式架构：通信由主机（如STM32）发起，从机（如传感器）被动响应，主机负责产生时钟信号；
  • 半双工通信：同一时刻只能发送或接收数据，通过SDA线双向传输。

1.2 I2C信号线组成

I2C通信仅需两根信号线，所有设备的SCL和SDA线并联连接：

信号线 功能描述
SCL 时钟线，由主机产生，用于同步数据传输（高低电平切换的频率决定通信速率）。
SDA 数据线，双向传输数据，主机和从机通过该线发送或接收数据（需开漏输出+上拉电阻）。

关键特性：

  • SDA和SCL均需通过上拉电阻（通常4.7kΩ~10kΩ）接电源（如3.3V），确保空闲时为高电平；
  • 信号线采用开漏输出（或集电极开路），支持"线与"逻辑（多个设备同时拉低时，总线为低电平；仅当所有设备释放时，总线才为高电平）。

1.3 I2C通信速率

I2C定义了三种主要通信速率（不同版本协议略有差异）：

  • 标准模式（Standard-mode）：100kbps（最常用）；
  • 快速模式（Fast-mode）：400kbps；
  • 高速模式（Fast-mode Plus）：1Mbps（部分设备支持）；
  • 超高速模式（High-speed mode）：3.4Mbps（高端设备支持）。

注意：总线上所有设备的最高支持速率必须≥主机使用的速率，否则需以最低速率通信（如主机支持400kbps，但某从机仅支持100kbps，则总线速率需设为100kbps）。

1.4 I2C核心时序信号

I2C协议通过特定的时序信号定义通信的开始、结束、数据传输和应答，是协议理解的核心。

1.4.1 起始位（S）与停止位（P）
  • 起始位（S）：当SCL为高电平时，SDA从高电平跳变为低电平（下降沿），标志一次通信的开始；
  • 停止位（P）：当SCL为高电平时，SDA从低电平跳变为高电平（上升沿），标志一次通信的结束。

（示意图：SCL高电平时，SDA下降沿为起始位，上升沿为停止位）

1.4.2 数据传输时序
  • 数据以8位为一帧，高位在前（MSB），低位在后（LSB）；
  • 每传输1位数据，SCL需有一个高电平脉冲（数据在SCL高电平时保持稳定，避免信号跳变导致误读）；
  • 8位数据传输完成后，紧跟一个应答位（ACK）或非应答位（NACK）。
1.4.3 应答信号（ACK/NACK）
  • 应答位（ACK）：接收方在第9个SCL时钟周期内将SDA拉低，表示成功接收数据；
  • 非应答位（NACK）：接收方在第9个SCL时钟周期内让SDA保持高电平，表示未接收数据（如数据错误、从机忙等）。

规则：

  • 主机发送数据时，由从机产生ACK/NACK；
  • 主机接收数据时，由主机产生ACK/NACK（除最后一个字节，通常用NACK表示接收结束）。

1.5 I2C通信帧结构

一次完整的I2C通信由"起始位→地址帧→数据帧→停止位"组成，根据方向（读/写）不同，帧结构略有差异。

1.5.1 主机向从机写数据（写操作）

帧结构：S → [从机地址+W] → ACK → [数据1] → ACK → [数据2] → ACK → ... → P

  • S：起始位；
  • [从机地址+W]：7位从机地址+1位写标志（0），共8位；
  • ACK：从机应答；
  • [数据n]：主机发送的n字节数据；
  • P：停止位。
1.5.2 主机从从机读数据（读操作）

帧结构：S → [从机地址+R] → ACK → [数据1] → ACK → [数据2] → ACK → ... → [数据n] → NACK → P

  • [从机地址+R]：7位从机地址+1位读标志（1），共8位；
  • 最后一个数据字节后，主机发送NACK，表示不再接收数据，随后发送停止位。
1.5.3 复合操作（先写后读，如读指定寄存器）

部分从机（如EEPROM、传感器）需先写入寄存器地址，再读取数据，帧结构为：
S → [从机地址+W] → ACK → [寄存器地址] → ACK → S → [从机地址+R] → ACK → [数据] → NACK → P

  • 中间的S为"重复起始位"（Repeated Start），用于连续通信而不释放总线。

1.6 I2C地址机制

I2C通过地址区分总线上的从机，地址长度有两种：

  • 7位地址 ：最常用，范围0127（其中0为广播地址，1127为有效地址）；
  • 10位地址：扩展地址，支持更多从机（仅部分设备支持）。

地址映射：从机地址由硬件引脚和固定地址组成，例如EEPROM AT24C02的固定地址为0xA0，其A0/A1/A2引脚接高/低电平可配置低3位地址（如A0=0、A1=0、A2=0时，地址为0xA0）。

二、STM32 I2C外设详解

STM32系列芯片（如F1、F4、H7等）普遍集成多个I2C外设（如F103有2个I2C，F407有3个I2C），支持主机模式、从机模式及多种高级特性。

2.1 I2C外设主要特性

以STM32F103（中低端型号）为例，其I2C外设核心特性如下：

  • 支持主机模式和从机模式；
  • 支持7位和10位地址；
  • 支持标准模式（100kbps）和快速模式（400kbps）；
  • 支持软件或硬件应答控制；
  • 支持中断和DMA传输（减少CPU占用）；
  • 支持 SMBus（系统管理总线）协议（兼容I2C）；
  • 内置仲裁和时钟同步机制（多主机场景）；
  • 支持数据校验和错误检测（如应答错误、仲裁丢失）。

高端型号（如F4、H7）的I2C外设性能更强，例如F407支持快速模式Plus（1Mbps），H7系列支持超时检测和更多错误处理机制。

2.2 引脚映射

I2C外设的SCL/SDA引脚通过复用功能配置，不同型号的映射不同。以STM32F103C8T6为例，I2C1的默认引脚为：

  • SCL：PB6（复用开漏输出）；
  • SDA：PB7（复用开漏输出）。

若默认引脚被占用，可通过重映射功能切换（如I2C1可重映射到PB8/PB9），配置时需：

  • 使能AFIO时钟（RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN）；
  • 通过AFIO重映射寄存器（AFIO->MAPR）配置映射关系。

2.3 时钟源与速率计算

I2C的时钟源来自APB1总线（所有I2C外设均挂载APB1）：

  • STM32F103的APB1时钟最高36MHz；
  • 速率计算公式：I2C时钟频率 = APB1时钟频率 / (16 + 2*CCR*TRISE)
    其中：
    • CCR（时钟控制寄存器）：配置分频系数，决定SCL高/低电平时间；
    • TRISE（上升时间寄存器）：配置SDA/SCL信号的上升时间（与速率相关）。

示例：标准模式（100kbps）配置（APB1=36MHz）：

  • TRISE = 36 + 1 = 37（标准模式下，TRISE=APB1时钟频率(MHz) + 1）；
  • CCR = 36000000 / (2 * 100000 * 2) = 90（标准模式下，高/低电平时间相等，总周期=1/100000=10μs，故高电平时间=5μs，CCR=5μs/(1/36MHz)=180？此处需根据手册精确计算，不同模式公式略有差异）。

2.4 核心寄存器解析

STM32 I2C的配置与操作通过以下核心寄存器实现（以F103为例）：

2.4.1 控制寄存器1（I2C_CR1）
位段 功能描述
PE[0] 外设使能：1=使能I2C；0=禁用（配置前需禁用）。
ACK[10] 应答使能：1=使能应答（接收数据后自动产生ACK）；0=禁用（产生NACK）。
START[8] 起始位生成：1=产生起始位（自动清0）。
STOP[9] 停止位生成：1=产生停止位（自动清0）。
ITEVTEN[14] 事件中断使能：1=使能事件中断（如起始位发送、地址匹配等）。
ITBUFEN[15] 缓冲区中断使能：1=使能数据缓冲区中断（如TXE、RXNE）。
2.4.2 控制寄存器2（I2C_CR2）
位段 功能描述
FREQ[5:0] 外设输入时钟频率：配置APB1时钟频率（单位MHz，如36MHz则设为0x24）。
DMAEN[11] DMA请求使能：1=使能DMA传输。
2.4.3 时钟控制寄存器（I2C_CCR）
位段 功能描述
F/S[15] 模式选择：0=标准模式（100kbps）；1=快速模式（400kbps）。
CCR[11:0] 时钟控制：决定SCL线的高/低电平时间（与速率相关）。
2.4.4 状态寄存器1（I2C_SR1）
位段 功能描述
SB[0] 起始位发送完成：1=起始位已发送（仅主机模式）。
ADDR[1] 地址发送完成：1=地址帧已发送且收到ACK（需结合SR2的ADDR位确认）。
TXE[7] 发送数据寄存器空：1=DR寄存器为空（可写入下一字节）。
RXNE[6] 接收数据寄存器非空：1=DR寄存器有数据（可读取）。
BTF[2] 字节传输完成：1=数据传输完成（最后一字节已发送/接收）。
AF[4] 应答失败：1=接收方未产生ACK（需软件清0）。
2.4.5 数据寄存器（I2C_DR）
  • 8位寄存器，发送时写入数据，接收时读取数据；
  • 写入DR会触发数据发送，读取DR会清除RXNE标志。

三、I2C硬件设计要点

I2C硬件设计的核心是确保总线信号稳定，避免噪声干扰和电平不匹配，以下是关键设计要点：

3.1 上拉电阻选择

SDA和SCL线必须通过上拉电阻接电源，电阻值选择需考虑：

  • 推荐值：4.7kΩ~10kΩ（标准模式常用4.7kΩ，快速模式可减小至2.2kΩ）；
  • 总线上设备数量：设备越多，负载电容越大，需减小电阻值（但不宜过小，避免电流过大）；
  • 电源电压：3.3V系统常用4.7kΩ，5V系统可选用10kΩ。

布局建议：上拉电阻尽量靠近I2C主机，缩短信号线到电源的路径，减少噪声。

3.2 信号线布局

  • 长度限制：标准模式下，信号线长度建议≤1米；快速模式下≤0.5米，过长会导致信号延迟和反射；
  • 走线规范：SDA和SCL线应平行走线，长度尽可能一致，避免交叉或靠近高速信号线（如SPI的SCK、电机驱动线）；
  • 接地处理：信号线下方铺地平面，增强抗干扰能力；总线上所有设备需共地，避免地电位差。

3.3 电平匹配

若总线上存在不同电平的设备（如3.3V的STM32和5V的EEPROM），需进行电平转换：

  • 方案1：使用专用电平转换芯片（如PCA9306），支持双向电平转换；
  • 方案2：利用开漏输出特性，将3.3V设备的SDA/SCL通过上拉电阻接5V（需确保3.3V设备的GPIO容忍5V输入）。

3.4 多从机地址冲突处理

当多个从机的默认地址冲突时，可通过硬件引脚修改从机地址：

  • 多数从机（如AT24C02、SHT30）提供地址配置引脚（如A0/A1/A2），通过接高/低电平改变地址的低几位；
  • 例如：AT24C02的固定地址为0xA0，A0引脚接GND时地址为0xA0，接VCC时为0xA2。

四、I2C软件配置步骤

本节以STM32F103为主机，实现与从机的I2C通信，分别介绍寄存器级和HAL库的配置方法，以"标准模式（100kbps）、7位地址、主机模式"为基础配置。

4.1 寄存器级配置（I2C1，100kbps）

步骤1：使能时钟
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// 使能GPIOB、I2C1和AFIO时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
步骤2：配置GPIO引脚（开漏复用输出）
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// 配置PB6（SCL）和PB7（SDA）为复用开漏输出
GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE6 | GPIO_CRL_CNF6);
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_MODE6_1;  // 输出速率2MHz（低速，I2C无需高速）
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_1;   // 复用开漏输出

GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE7 | GPIO_CRL_CNF7);
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_MODE7_1;  // 输出速率2MHz
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF7_1;   // 复用开漏输出
步骤3：配置I2C1参数（标准模式100kbps）
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// 禁用I2C1（配置前必须禁用）
I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE;

// 配置CR2：APB1时钟36MHz（0x24=36）
I2C1->CR2 &= ~I2C_CR2_FREQ;
I2C1->CR2 |= 0x24;

// 配置CCR：标准模式（100kbps），高/低电平时间相等
I2C1->CCR &= ~I2C_CCR_FS;  // 标准模式
I2C1->CCR |= 0x5A;         // CCR=90（36MHz/(2*100000*2)=90）

// 配置TRISE：标准模式下TRISE=36+1=37
I2C1->TRISE = 0x25;

// 使能I2C1，使能应答
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK | I2C_CR1_PE;
步骤4：实现基本读写函数
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// 等待I2C事件（用于判断通信状态）
void I2C1_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t event) {
    uint32_t timeout = 0xFFFF;
    while ((I2Cx->SR1 & event) == 0) {
        if (timeout-- == 0) return;  // 超时退出
    }
}

// 发送起始位
void I2C1_Start(void) {
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;          // 产生起始位
    I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_SB);   // 等待起始位发送完成
}

// 发送停止位
void I2C1_Stop(void) {
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;           // 产生停止位
}

// 发送从机地址（7位地址+读写标志）
void I2C1_SendAddr(uint8_t addr, uint8_t rw) {
    addr = (addr << 1) | (rw & 0x01);    // 地址左移1位，最低位为读写标志（0=写，1=读）
    I2C1->DR = addr;
    I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_ADDR); // 等待地址发送完成
    (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;   // 清除ADDR标志（读SR1和SR2）
}

// 向从机发送1字节数据
void I2C1_SendByte(uint8_t data) {
    I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_TXE);  // 等待发送缓冲区空
    I2C1->DR = data;
    I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_BTF);  // 等待字节传输完成
}

// 从从机接收1字节数据（最后一字节用NACK）
uint8_t I2C1_ReceiveByte(uint8_t is_last) {
    if (is_last) {
        I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK;      // 最后一字节，禁用应答（NACK）
    }
    I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_RXNE); // 等待接收数据
    return I2C1->DR;
}

// 主机向从机写数据（addr：7位地址，data：数据，len：长度）
void I2C1_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    I2C1_Start();                       // 起始位
    I2C1_SendAddr(addr, 0);             // 发送写地址
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        I2C1_SendByte(data[i]);         // 发送数据
    }
    I2C1_Stop();                        // 停止位
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK;           // 恢复应答使能
}

// 主机从从机读数据（addr：7位地址，data：接收缓冲区，len：长度）
void I2C1_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    I2C1_Start();                       // 起始位
    I2C1_SendAddr(addr, 1);             // 发送读地址
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = I2C1_ReceiveByte(i == len-1); // 接收数据（最后一字节用NACK）
    }
    I2C1_Stop();                        // 停止位
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK;           // 恢复应答使能
}

4.2 HAL库配置（基于STM32CubeMX）

步骤1：创建工程与时钟配置
  • 打开STM32CubeMX，选择芯片型号（如STM32F103C8T6）；
  • 配置RCC：选择HSE时钟，配置系统时钟为72MHz（APB1时钟36MHz）。
步骤2：配置I2C1
  • 在"Pinout & Configuration"中，左侧选择"Connectivity"→"I2C1"；
  • 模式选择"I2C"（主机模式）；
  • 参数配置：
    • I2C Speed Mode：Standard Mode（100kbps）；
    • I2C Clock Speed：100000；
    • Addressing Mode：7-bit；
  • 确认引脚：I2C1_SCL=PB6，I2C1_SDA=PB7（默认引脚）。
步骤3：生成代码
  • 配置工程路径和IDE（如Keil MDK）；
  • 生成代码（确保I2C初始化函数MX_I2C1_Init()被正确生成）。
步骤4：HAL库读写函数实现
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// 主机向从机写数据（阻塞式）
HAL_StatusTypeDef I2C1_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    // 等待总线空闲
    while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);
    // 发送数据（7位地址，无寄存器地址）
    return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (addr << 1) | 0, data, len, 100);
}

// 主机从从机读数据（阻塞式）
HAL_StatusTypeDef I2C1_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);
    // 接收数据（7位地址）
    return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (addr << 1) | 1, data, len, 100);
}

// 先写寄存器地址再读数据（如读传感器指定寄存器）
HAL_StatusTypeDef I2C1_WriteRead(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *data, uint16_t len) {
    while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);
    // 发送寄存器地址，再读取数据（重复起始位）
    return HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, (addr << 1) | 0, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, len, 100);
}

五、实战案例：I2C外设通信

5.1 案例1：与AT24C02 EEPROM通信

AT24C02是一款2KB的I2C EEPROM，常用于存储掉电不丢失的数据（如设备参数、校准值），地址可通过A0/A1/A2引脚配置（默认0xA0）。

5.1.1 关键操作

  1. 写入数据（页写入）：

    • AT24C02的页大小为8字节，单次写入不能超过一页；
    • 需先发送"设备地址+写"→"存储地址"→"数据"。
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    // 向AT24C02指定地址写入数据（寄存器级）
void AT24C02_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    uint16_t pos = 0;
    uint8_t page_remain;
    while (len > 0) {
        // 计算当前页剩余空间（页大小8字节）
        page_remain = 8 - (addr % 8);
        if (len < page_remain) page_remain = len;
        
        I2C1_Start();
        I2C1_SendAddr(0xA0 >> 1, 0);  // 从机地址0xA0（7位为0x50）
        I2C1_SendByte(addr);          // 存储地址
        for (uint8_t i = 0; i < page_remain; i++) {
            I2C1_SendByte(data[pos++]);
        }
        I2C1_Stop();
        HAL_Delay(5);  // 等待EEPROM内部写入完成（典型5ms）
        
        addr += page_remain;
        len -= page_remain;
    }
}

  2. 读取数据：

    • 发送"设备地址+写"→"存储地址"→"重复起始位"→"设备地址+读"→"数据"。
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    // 从AT24C02指定地址读取数据（HAL库）
void AT24C02_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA0, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, len, 100);
    HAL_Delay(1);
}

5.2 案例2：与SHT30温湿度传感器通信

SHT30是一款高精度I2C温湿度传感器，地址为0x44（A引脚接GND）或0x45（A引脚接VCC），支持测量温度（-40125℃）和湿度（0100%RH）。

5.2.1 通信流程

  1. 初始化传感器：发送软复位命令（0x30A2），确保传感器处于就绪状态。

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    void SHT30_Reset(void) {
    uint8_t cmd[2] = {0x30, 0xA2};
    I2C1_Write(0x44, cmd, 2);  // 0x44为7位地址，写操作
    HAL_Delay(10);
}

  2. 触发测量：发送测量命令（0x2400为周期性测量，0x2C06为单次高精度测量）。

  3. 读取测量结果：传感器返回6字节数据（温度高8位、温度低8位、温度CRC、湿度高8位、湿度低8位、湿度CRC）。

    c 复制代码 
    // 读取温湿度数据（HAL库）
HAL_StatusTypeDef SHT30_Read(float *temp, float *humi) {
    uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};  // 单次高精度测量命令
    uint8_t data[6];
    
    // 发送测量命令
    if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x44 << 1, cmd, 2, 100) != HAL_OK) {
        return HAL_ERROR;
    }
    HAL_Delay(50);  // 等待测量完成
    
    // 读取6字节数据
    if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x44 << 1 | 1, data, 6, 100) != HAL_OK) {
        return HAL_ERROR;
    }
    
    // 校验CRC（简化版，实际应计算CRC）
    if (data[2] != SHT30_CRC8(data, 2) || data[5] != SHT30_CRC8(data+3, 2)) {
        return HAL_ERROR;
    }
    
    // 转换温度（公式参考SHT30数据手册）
    uint16_t temp_raw = (data[0] << 8) | data[1];
    *temp = (temp_raw * 175.0f / 65535.0f) - 45.0f;
    
    // 转换湿度
    uint16_t humi_raw = (data[3] << 8) | data[4];
    *humi = humi_raw * 100.0f / 65535.0f;
    
    return HAL_OK;
}

5.3 案例3：I2C中断与DMA传输（批量数据优化）

对于需要频繁读写大量数据的场景（如从多个传感器轮询数据），使用中断或DMA可减少CPU阻塞时间。

5.3.1 中断接收配置（HAL库）
c 复制代码 
uint8_t rx_buf[16];  // 接收缓冲区

// 初始化中断接收
void I2C1_IT_Init(void) {
    HAL_I2C_Receive_IT(&hi2c1, (0x44 << 1) | 1, rx_buf, 6);  // 从SHT30接收6字节
}

// I2C中断接收完成回调
void HAL_I2C_RxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
    if (hi2c == &hi2c1) {
        // 处理接收数据（如解析温湿度）
        rx_complete_flag = 1;
        // 重新开启中断接收
        HAL_I2C_Receive_IT(&hi2c1, (0x44 << 1) | 1, rx_buf, 6);
    }
}
5.3.2 DMA发送示例（写入多个传感器配置）
c 复制代码 
uint8_t tx_buf[32];  // 存储多个传感器的配置命令

// 使用DMA发送配置数据
void I2C1_DMA_Send(uint8_t addr, uint16_t len) {
    HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, (addr << 1) | 0, tx_buf, len);
}

// DMA发送完成回调
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
    if (hi2c == &hi2c1) {
        // 发送完成处理
        tx_complete_flag = 1;
    }
}

六、I2C高级特性与优化

6.1 从机模式配置

STM32的I2C外设可配置为从机模式，接收其他主机的读写操作，适用于多主机系统或作为从设备被控制。

从机模式配置要点（寄存器级）：
  1. 配置从机地址：I2C_OAR1 = (addr << 1) | I2C_OAR1_ADDMODE;（7位地址）；
  2. 使能地址匹配中断：I2C_CR1 |= I2C_CR1_ITEVTEN;；
  3. 在中断服务函数中处理地址匹配、数据收发事件。
c 复制代码 
// I2C1从机中断服务函数
void I2C1_IRQHandler(void) {
    if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR) {  // 地址匹配
        (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;  // 清除标志
        if (I2C1->SR2 & I2C_SR2_TRA) {  // 主机写，从机接收
            // 准备接收数据
        } else {  // 主机读，从机发送
            // 准备发送数据
        }
    } else if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE) {  // 接收数据
        rx_data = I2C1->DR;
    } else if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE) {  // 发送数据
        I2C1->DR = tx_data;
    }
}

6.2 总线错误处理

I2C通信中常见错误（如应答失败、仲裁丢失）需及时处理，避免总线锁定：

c 复制代码 
// 检测并清除I2C错误
void I2C1_ClearError(void) {
    if (I2C1->SR1 & (I2C_SR1_AF | I2C_SR1_ARLO | I2C_SR1_BERR)) {
        I2C1->SR1 &= ~(I2C_SR1_AF | I2C_SR1_ARLO | I2C_SR1_BERR);  // 清除错误标志
        I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE;  // 禁用外设
        I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;   // 重新使能
    }
}

6.3 低功耗模式下的I2C

在STM32低功耗模式（如STOP模式）下，可通过I2C唤醒芯片：

  • 配置I2C为从机模式，使能地址匹配唤醒；
  • 进入STOP模式前，确保I2C外设处于使能状态；
  • 当主机发送匹配地址时，I2C产生中断，唤醒芯片。

七、常见问题与调试技巧

7.1 通信失败的核心原因

7.1.1 总线无响应（从机无ACK）
  • 现象：发送地址后始终无ACK，程序卡在等待ACK的循环中；
  • 原因 ：
    • 从机地址错误（未考虑读写标志位，或硬件引脚配置错误）；
    • 上拉电阻缺失或阻值过大，SDA/SCL线空闲时不是高电平；
    • 从机未上电、接线错误（如SDA与SCL接反）；
    • 从机忙（如EEPROM正在内部写入，需等待）。
  • 排查 ：
    • 用万用表测量SDA/SCL线空闲电平，确认是否为高电平；
    • 用示波器观察地址帧是否正确发送（如地址0xA0的写帧应为0xA0）；
    • 降低通信速率（如从100kbps降至10kbps），排除速率不匹配问题。
7.1.2 数据乱码或校验错误
  • 现象：能收到ACK，但数据错误（如温湿度值异常）；
  • 原因 ：
    • 时序错误（如快速模式下未正确配置TRISE/CCR）；
    • 信号线噪声过大（靠近干扰源、未铺地平面）；
    • 从机未正确初始化（如传感器未复位）。
  • 排查 ：
    • 用逻辑分析仪抓取SDA/SCL波形，对比从机数据手册的时序要求；
    • 检查从机初始化流程（如发送复位命令、等待就绪）。
7.1.3 总线锁定（I2C无响应）
  • 现象：一次通信失败后，后续所有I2C操作均无反应；
  • 原因：通信中断（如突然断电、程序复位）导致SDA/SCL线被拉低，总线处于锁定状态；
  • 解决 ：
    • 软件复位I2C外设（禁用后重新使能）；
    • 若软件复位无效，可通过GPIO模拟SCL线产生多个时钟脉冲，释放总线。

7.2 调试工具与方法

  1. 逻辑分析仪：

    • 推荐使用带I2C解码功能的逻辑分析仪（如Saleae），直接解析SDA/SCL线上的地址、数据和应答信号；
    • 重点观察：起始位/停止位是否正确、地址帧是否匹配、ACK是否存在、数据时序是否符合模式要求。

  2. 最小系统验证：

    • 用"双线连接"验证：仅连接STM32与一个从机（如AT24C02），排除其他设备干扰；
    • 编写简单测试函数（如读取从机ID），确认基本通信正常后再扩展功能。

  3. 软件调试技巧：

    • 在关键步骤添加日志输出（通过UART），记录I2C状态（如"发送地址0xA0""收到ACK"）；
    • 使用HAL库的HAL_I2C_GetError()函数获取错误码（如HAL_I2C_ERROR_AF为应答失败）。

7.3 通信可靠性优化

  • 添加重试机制：对偶尔失败的操作（如传感器忙），重试2~3次；
  • 超时控制：所有I2C操作必须设置超时（如100ms），避免程序卡死；
  • CRC校验：对关键数据（如校准参数），在应用层添加CRC校验，弥补I2C无硬件校验的不足；
  • 避免频繁启停：连续读写时使用重复起始位（而非多次启停），减少总线开销。

八、总结与扩展

I2C协议以其简洁的硬件设计和灵活的多从机支持，在嵌入式系统中占据重要地位。本文从协议基础到实战案例，系统讲解了I2C的工作原理、STM32配置方法及调试技巧，核心要点包括：

  • I2C通过SCL和SDA双线通信，依赖起始位、地址帧、应答信号实现数据传输；
  • STM32 I2C外设支持主/从模式、中断/DMA传输，配置需关注时钟源、速率参数及时序；
  • 硬件设计需重视上拉电阻、信号线布局和电平匹配，直接影响通信稳定性；
  • 实战中需根据从机特性（如EEPROM的页写入、传感器的命令序列）设计通信流程。

未来学习可扩展至：

  • 多主机I2C系统的仲裁机制；
  • I2C与其他协议（如SPI、UART）的混合通信设计；
  • 基于I2C的传感器网络（如多个温湿度传感器组网）；
  • 低功耗场景下的I2C休眠与唤醒策略。

掌握I2C不仅是嵌入式开发的基础技能，更是理解同步通信协议设计的关键。通过结合硬件调试工具（如逻辑分析仪）和软件优化技巧，可有效解决实际开发中的通信问题，提升系统可靠性。

附录：常用代码片段

  1. I2C总线释放函数（解决总线锁定）：
c 复制代码 
void I2C1_ReleaseBus(void) {
    // 配置SDA/SCL为推挽输出
    GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_CNF7);
    GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_0 | GPIO_CRL_CNF7_0;
    // 产生10个SCL时钟脉冲，释放总线
    for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {
        GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;  // SCL高
        HAL_Delay(1);
        GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;  // SCL低
        HAL_Delay(1);
    }
    // 恢复为复用开漏输出
    GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_CNF7);
    GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_1 | GPIO_CRL_CNF7_1;
}
  1. CRC8校验函数（用于SHT30、AT24C02等）：
c 复制代码 
uint8_t I2C_CRC8(uint8_t *data, uint8_t len) {
    uint8_t crc = 0xFF;
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x80) {
                crc = (crc << 1) ^ 0x31;
            } else {
                crc <<= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}
  1. 多从机地址扫描函数：
c 复制代码 
// 扫描总线上所有响应的从机地址
void I2C1_ScanSlaves(void) {
    uint8_t addr;
    for (addr = 0; addr < 128; addr++) {
        I2C1_Start();
        I2C1->DR = (addr << 1) | 0;  // 写地址
        HAL_Delay(1);
        if (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_AF)) {  // 无应答失败，即有从机响应
            printf("Found slave: 0x%02X\n", addr);
        }
        I2C1_Stop();
        HAL_Delay(10);
    }
}
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