IIC总线原理详解

I²C总线通信原理详解

- - - [**1. I²C是什么？**](#1. I²C是什么？)
    - [**2. 硬件连接**](#2. 硬件连接)
    - [**3. 通信流程（以读取传感器数据为例）**](#3. 通信流程（以读取传感器数据为例）)
    - - **步骤1：起始条件（START）**
      - [**步骤2：发送从机地址 + 读写位**](#步骤2：发送从机地址 + 读写位)
      - **步骤3：数据传输**
      - **步骤4：停止条件（STOP）**
    - [**4. 关键机制**](#4. 关键机制)
    - [**5. 典型时序图**](#5. 典型时序图)
    - [**6. 优缺点**](#6. 优缺点)
    - [**7. 实际应用**](#7. 实际应用)
    - [**8. 动手实验**](#8. 动手实验)

1. I²C是什么？

I²C（Inter-Integrated Circuit，读作"I-squared-C"）是一种由飞利浦 （现恩智浦）设计的同步、串行、半双工通信协议，主要用于短距离、低速设备间的通信（如传感器、EEPROM、LCD驱动芯片等）。

核心特点：

两根线 ：仅需SDA （数据线）和SCL（时钟线）。
多主多从：支持多个主设备（Master）和从设备（Slave）共享总线。
地址寻址：每个从设备有唯一地址（如0x68），主设备通过地址选择通信对象。

2. 硬件连接

开漏输出 ：SDA和SCL均为开漏结构，需外接上拉电阻（通常4.7kΩ），避免信号冲突。
设备地址：7位或10位地址（如0x1A），支持广播寻址（所有从机响应）。

SCL SDA SCL SDA 上拉电阻上拉电阻 Master Slave1 Slave2 SDA SCL VCC

3. 通信流程（以读取传感器数据为例）

步骤1：起始条件（START）

SCL为高电平 时，主设备将SDA从高拉低 ，表示通信开始。

waveform SCL: 1-1-1-1-1-1-1-1-1 SDA: 1-1-1-1-1-0-0-0-0 START: ^

步骤2：发送从机地址 + 读写位

7位地址 + 1位方向 （0=写，1=读）。例如：
- 写操作：地址0x68（二进制1101000）→ 发送1101000 0
- 从机回应ACK（拉低SDA表示确认）。

步骤3：数据传输

主设备发送命令 （如寄存器地址0x01），从机ACK。
主设备发送重复起始条件（Repeated START），切换为读模式。
从机返回数据 （如温度值0x25），主设备ACK或NACK（结束读取）。

步骤4：停止条件（STOP）

SCL为高电平 时，主设备将SDA从低拉高 ，结束通信。

waveform SCL: 1-1-1-1-1-1-1-1-1 SDA: 0-0-0-0-0-1-1-1-1 STOP: ^

4. 关键机制

时钟同步（SCL）

多个主设备可通过"线与"逻辑协商时钟速率（慢速设备拉低SCL强制等待）。

仲裁（多主竞争）

若两个主设备同时发送数据，SDA先输出高电平的设备退出（无破坏性冲突）。

错误处理

无ACK：从机未响应（地址错误或设备故障）。
超时：SCL被长时间拉低（从机卡死）。

5. 典型时序图

Master Slave START + 地址(写) + ACK 寄存器地址 + ACK REPEATED START + 地址(读) + ACK 数据字节1 + ACK 数据字节2 + NACK STOP Master Slave

6. 优缺点

优点	缺点
硬件简单（两根线）	速度较慢（标准模式100kbps）
支持多主从	地址冲突需手动管理
无需片选信号（CS）	长距离通信需加驱动

7. 实际应用

读取传感器 （如BMP280气压计）：主设备读取从机地址0x77的校准数据。
配置外设 （如OLED屏幕）：主设备向地址0x3C发送显示指令。

8. 动手实验

硬件连接 ：
- Arduino（主） + MPU6050（从，地址0x68） + 4.7kΩ上拉电阻。

代码示例 （Arduino）：

cpp 复制代码

#include <Wire.h>
void setup() {
  Wire.begin(); // 主设备模式
  Wire.beginTransmission(0x68); // 指定从机地址
  Wire.write(0x3B); // 寄存器地址
  Wire.endTransmission(false); // 保持连接
  Wire.requestFrom(0x68, 6); // 请求6字节数据
  while (Wire.available()) {
    byte data = Wire.read(); // 读取数据
  }
}