嵌入式硬件——基于IMX6ULL的I2C实现

眰恦ゞLYF2025-10-05 8:18

一、I2C 基础概念与硬件特性

1.1 I2C 总线核心定义

I2C（Inter-Integrated Circuit）是飞利浦提出的串行半双工通信总线，核心特点是两根信号线实现多设备互联：

  • SDA（Serial Data）：双向数据线，用于传输数据；
  • SCL（Serial Clock）：双向时钟线，由主设备产生，同步数据传输；
  • 上拉电阻：SDA 和 SCL 需外接（或引脚内部配置）上拉电阻（通常 4.7KΩ），空闲时保持高电平；
  • 主从架构：同一总线中仅 1 个主设备（如 I.MX6ULL），可挂载多个从设备（如 AT24C02、LM75），通过设备地址区分从设备。

1.2 I.MX6ULL I2C 硬件特性

  • 控制器数量：共 4 路 I2C 控制器（I2C1~I2C4），支持主 / 从模式；
  • 传输速率：标准模式（100Kbps）、快速模式（400Kbps）；
  • 时钟源：默认使用IPG_CLK_ROOT（66MHz），通过分频器得到 I2C 工作时钟；
  • FIFO 支持：部分控制器含 TX/RXFIFO（如 ECSPI 关联的 I2C 无 FIFO，需软件模拟时序）；
  • 中断支持：可配置 FIFO 空、传输完成、仲裁丢失等中断；
  • 器件兼容性：支持 I2C 标准从设备（EEPROM、传感器、时钟芯片等），本次重点适配AT24C02（EEPROM） 和LM75（温度传感器）。

二、I2C 核心通信时序

2.1 基础时序单元

  • 起始信号（S）：SCL 为高电平时，SDA 从高电平拉低（下降沿），标志通信开始；
  • 停止信号（P）：SCL 为高电平时，SDA 从低电平拉高（上升沿），标志通信结束；
  • 数据传输：SCL 高电平时，SDA 电平需稳定（数据有效）；SCL 低电平时，SDA 可切换电平（准备下一位数据）；
  • 应答（ACK）：主设备发送 1 字节后，释放 SDA；从设备在 SCL 高电平时拉低 SDA，表示数据接收成功；
  • 非应答（NACK）：主设备接收最后 1 字节后，SCL 高电平时保持 SDA 高电平，表示无需继续接收。

2.2 核心操作时序

从设备写操作（主→从，如向 AT24C02 写数据）
  • 主设备发送起始信号（S）；
  • 主设备发送从设备地址 + 写标志（最低位为 0），等待从设备应答（ACK）；
  • 主设备发送从设备内部寄存器地址（如 AT24C02 的存储地址），等待应答；
  • 主设备发送数据（1~N 字节），每字节后等待应答；
  • 主设备发送停止信号（P），结束写操作。
从设备读操作（从→主，如从 LM75 读温度）
  • 主设备发送起始信号（S）；
  • 主设备发送从设备地址 + 写标志（0），等待应答（此时目的是 "告知读哪个寄存器"）；
  • 主设备发送目标寄存器地址（如 LM75 的温度寄存器 0x00），等待应答；
  • 主设备发送重复起始信号（S）（不发停止信号，避免总线释放）；
  • 主设备发送从设备地址 + 读标志（1），等待应答；
  • 主设备接收数据（1~N 字节）：
    • 接收前 N-1 字节后，主设备发送 ACK；
    • 接收最后 1 字节后，主设备发送 NACK（告知从设备停止发送）；
  • 主设备发送停止信号（P），结束读操作。

三、I.MX6ULL I2C 寄存器详解

核心寄存器

  • I2Cx_IADR：从设备地址寄存器；
  • I2Cx_IFDR：分频寄存器（决定 I2C 波特率）；
  • I2Cx_I2CR：控制寄存器；
  • I2Cx_I2SR：状态寄存器；
  • I2Cx_I2DR：数据寄存器。

四、I2C 完整实现流程

4.1 I2C 引脚初始化

  • 配置复用功能和电气特性，以 I2C1 为例（SDA=UART4_RX，SCL=UART4_TX）；
  • 初始化 I2C 控制器（先关闭，再配置分频）。

4.2 I2C 通用读写函数

  • i2c_write：向指定从设备的指定寄存器写入 N 字节数据；
  • i2c_read：从指定从设备的指定寄存器读取 N 字节数据。
I2C 写函数（i2c_write）

功能：向指定从设备的指定寄存器写入 N 字节数据

c 复制代码 
// base：I2C控制器基地址（如I2C1）
// device_address：从设备地址（如LM75=0x48）
// reg_address：从设备寄存器地址（如LM75温度寄存器=0x00）
// reg_len：寄存器地址长度（1或2字节）
// data：待写入数据指针
// len：数据长度
void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char device_address, unsigned short reg_address, int reg_len, const unsigned char *data, int len) 
{
    // 1. 清除仲裁丢失和中断标志，等待总线空闲
    base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1));  // 清除IAL（bit4）和IIF（bit1）
    while((base->I2SR & (1 << 7)) == 0);  // 等待ICF（bit7）=1（总线空闲）
    
    // 2. 配置为主设备发送模式，发送ACK
    base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4);  // MSTA=1（主模式）、MTX=1（发送）
    base->I2CR &= ~(1 << 3);           // TXAK=0（发送ACK）
    
    // 3. 发送从设备地址（写模式：最低位=0）
    base->I2SR &= ~(1 << 1);           // 清除IIF（中断标志）
    base->I2DR = device_address << 1;   // 设备地址+写标志
    while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);  // 等待传输完成（IIF=1）
    
    // 4. 发送寄存器地址（支持1/2字节）
    for(int i = 0; i < reg_len; ++i) 
    {
        base->I2SR &= ~(1 << 1);       // 清除IIF
        // 高位在前：若reg_len=2，先发高8位，再发低8位
        base->I2DR = reg_address >> (reg_len - i - 1) * 8;
        while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);  // 等待传输完成
    }
    
    // 5. 发送数据（N字节）
    while (len--) 
    {
        base->I2SR &= ~(1 << 1);       // 清除IIF
        base->I2DR = *data++;          // 写入1字节数据
        while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);  // 等待传输完成
    }
    
    // 6. 发送停止信号（清除主模式）
    base->I2CR &= ~(1 << 5);           // MSTA=0（释放主模式，产生停止信号）
    while((base->I2SR & (1 << 5)) != 0);  // 等待IBB=0（总线空闲）
    delayus(100);  // 短暂延时，确保停止信号稳定
}
I2C 读函数（i2c_read）

功能：从指定从设备的指定寄存器读取 N 字节数据

c 复制代码 
void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char device_address, unsigned short reg_address, int reg_len, unsigned char *data, int len) 
{
    // 1. 清除标志，等待总线空闲（同写函数）
    base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1));
    while((base->I2SR & (1 << 7)) == 0);
    
    // 2. 配置为主设备发送模式，先写寄存器地址
    base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4);  // MSTA=1、MTX=1
    base->I2CR &= ~(1 << 3);           // TXAK=0（发送ACK）
    
    // 3. 发送从设备地址（写模式）
    base->I2SR &= ~(1 << 1);
    base->I2DR = device_address << 1;
    while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);
    
    // 4. 发送寄存器地址（同写函数）
    for(int i = 0; i < reg_len; ++i) 
    {
        base->I2SR &= ~(1 << 1);
        base->I2DR = reg_address >> (reg_len - i - 1) * 8;
        while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);
    }
    
    // 5. 发送重复起始信号，切换为读模式
    base->I2CR |= (1 << 2);            // RSTA=1（产生重复起始）
    base->I2SR &= ~(1 << 1);
    base->I2DR = device_address << 1 | 1;  // 设备地址+读标志（最低位=1）
    while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);
    
    // 6. 切换为接收模式
    base->I2CR &= ~(1 << 4);           // MTX=0（接收）
    base->I2SR &= ~(1 << 1);
    
    // 7. 若仅读1字节，提前发送NACK
    if(len == 1) 
    {
        base->I2CR |= (1 << 3);        // TXAK=1（发送NACK）
    }
    *data = base->I2DR;  // 虚假读：触发接收（I2C全双工，发送时已接收无效数据）
    
    // 8. 接收N字节数据
    while(len-- != 0) 
    {
        while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);  // 等待接收完成
        base->I2SR &= ~(1 << 1);
        
        // 处理最后1字节：发送停止信号
        if(len == 0) 
        {
            base->I2CR &= ~((1 << 5) | (1 << 3));  // MSTA=0（停止）、TXAK=0
            while((base->I2SR & (1 << 5)) != 0);    // 等待总线空闲
        } 
        // 处理倒数第2字节：提前发送NACK
        else if (len == 1) 
        {
            base->I2CR |= (1 << 3);  // TXAK=1（下一字节发NACK）
        }
        
        *data++ = base->I2DR;  // 读取接收数据
    }
}

4.3 封装传输函数（xfer）

封装I2C_MSG结构体，统一管理传输参数，提高代码复用性：

c 复制代码 
// i2c.h 中定义结构体和枚举
enum I2C_Direction 
{
    I2C_Write = 0,  // 写方向
    I2C_Read = 1    // 读方向
};

struct I2C_MSG 
{
    unsigned char dev_address;   // 从设备地址
    unsigned short reg_address;  // 寄存器地址
    int reg_len;                 // 寄存器地址长度（1/2）
    unsigned char *data;         // 数据指针
    int len;                     // 数据长度
    enum I2C_Direction direction;// 传输方向
};

// i2c.c 中实现传输函数
void xfer(I2C_Type *base, struct I2C_MSG *msg) 
{
    if(msg->direction == I2C_Write) 
    {
        i2c_write(base, msg->dev_address, msg->reg_address, msg->reg_len, msg->data, msg->len);
    } 
    else 
    {
        i2c_read(base, msg->dev_address, msg->reg_address, msg->reg_len, msg->data, msg->len);
    }
}

五、LM75 温度传感器驱动（基于 I2C）

LM75 是 I2C 接口的温度传感器，设备地址为0x48，温度寄存器（0x00）存储 16 位数据（高 9 位为温度值，单位 0.5℃）。

5.1 温度读取函数（lm75.c）

cs 复制代码 
#include "lm75.h"
#include "i2c.h"
#include "MCIMX6Y2.h"

// 读取LM75温度（返回值：℃，如25.5℃返回25.5）
float lm75_get_temperature(void) 
{
    unsigned char buffer[2] = {0};  // 存储16位温度数据
    short temp_raw;                 // 原始温度值（16位）
    
    // 1. 构造I2C传输参数
    struct I2C_MSG msg = 
    {
        .direction = I2C_Read,      // 读方向
        .dev_address = 0x48,        // LM75设备地址
        .reg_address = 0x00,        // 温度寄存器地址（1字节）
        .reg_len = 1,               // 寄存器地址长度=1
        .data = buffer,             // 数据缓冲区
        .len = 2                    // 读取2字节
    };
    
    // 2. 调用I2C传输函数
    xfer(I2C1, &msg);
    
    // 3. 解析温度数据（LM75数据格式：高8位+低8位，高9位有效）
    temp_raw = (buffer[0] << 8) | buffer[1];  // 组合16位原始数据
    temp_raw >>= 7;                          // 右移7位，保留高9位（符号位+8位数值）
    return temp_raw * 0.5f;                  // 0.5℃/LSB，转换为实际温度
}

5.2 头文件声明（lm75.h）

cs 复制代码 
#ifndef __LM75_H__
#define __LM75_H__

// 读取LM75温度，返回值单位：℃
extern float lm75_get_temperature(void);

#endif

5.3 主函数测试（main.c）

初始化 I2C、UART 和 LM75，通过 UART 打印温度数据：

cs 复制代码 
#include "led.h"
#include "uart.h"
#include "i2c.h"
#include "lm75.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"

int main(void) 
{
    // 1. 初始化系统时钟、UART（用于打印）、I2C1
    init_clock();    // 初始化系统时钟（IPG_CLK=66MHz）
    init_uart1();    // 初始化UART1（115200bps，用于打印温度）
    init_i2c1();     // 初始化I2C1（100Kbps）
    
    while(1) 
    {
        // 2. 读取LM75温度
        float temp = lm75_get_temperature();
        
        // 3. 格式化温度数据（避免浮点数打印误差）
        int temp_int = (int)temp;          // 整数部分（如25.5→25）
        int temp_dec = (int)((temp - temp_int) * 10);  // 小数部分（如25.5→5）
        
        // 4. 通过UART打印温度
        printf("LM75 Temperature: %d.%d℃\n", temp_int, temp_dec);
        
        delayms(1000);  // 1秒刷新一次
    }
    return 0;
}

六、关键注意事项

  1. 上拉电阻配置 ：I2C 总线必需上拉，可通过引脚电气属性配置内部上拉（如IOMUXC_SetPinConfig的PUS位），或外接 4.7KΩ 电阻；
  2. 仲裁丢失处理 ：若多主设备竞争总线，I2SR->IAL会置 1，需清除该位后重新初始化 I2C；
  3. 应答判断 ：传输过程中需检查I2SR->RXAK，若为 1（接收 NACK），需重新发送或终止通信；
  4. 寄存器地址长度 ：不同器件的寄存器地址长度不同（如 AT24C02 为 1 字节，某些传感器为 2 字节），需在I2C_MSG中正确设置reg_len；
  5. SION 位使能 ：部分 I2C 引脚需使能SION（软件输入路径），否则无法读取 SDA 电平（如IOMUXC_SetPinMux的第 2 个参数设为 1）；
  6. 时钟分频计算：I2C 波特率 = IPG_CLK / 分频系数，标准模式（100Kbps）推荐分频系数 = 640（66MHz/640≈103Kbps），快速模式（400Kbps）推荐分频系数 = 160（66MHz/160≈412.5Kbps）。

七、总结

I.MX6ULL 的 I2C 开发的核心是严格遵循时序规范 和熟练操作寄存器 ，关键流程可概括为：引脚复用配置 → I2C控制器初始化（分频、使能） → 封装通用读写函数 → 适配具体I2C器件（LM75/AT24C02） → 测试验证。通过结构体封装传输参数（如I2C_MSG）可显著提高代码复用性，这一思想也与 Linux 内核 I2C 子系统的设计一致，为后续驱动开发打下基础。

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