在竞技类模块化机器人的设计中，一个常被低估却至关重要的挑战是：如何为种类繁多、位置灵活的子模块（如红外发射枪、NFC近战感应器、压力/磁敏伤害区）提供一套统一、可扩展且身份可辨的通信接口？ 早期方案中，每类模块都占用独立GPIO或UART，导致主控引脚迅速耗尽，布线复杂，且难以支持热插拔或动态配置。为解决这一问题，我们提出并实现了一套基于I²C总线 + PWM动态地址分配的创新传感网络架构。
一、需求与痛点
我们的机器人需同时支持：
- 远战武器：红外发射/接收模块（安装于手臂、头部）
- 近战武器：NFC或电容式接触感应器（安装于躯干、腿部）
- 伤害感应区：压力薄膜、霍尔传感器（分布于全身多个非固定位置）
这些模块功能各异，但共性在于：需要向主控上报事件（如"击中"、"被击中"），并接收参数配置（如发射功率、灵敏度）。若为每个模块分配独立通信通道，不仅硬件成本高，软件维护也极其繁琐。
二、技术选型：为何是I²C？
综合考虑成本、速度、引脚占用和从机支持能力，I²C成为最优选择：
- 引脚效率高：仅需SCL+SDA两根线即可挂载数十个设备；
- STM8S成本极低（单价<¥1），适合作为从机MCU；
- 主控STM32F4具备强大I²C主模式支持，可软件模拟或硬件加速。
然而，I²C面临一个经典难题：同类型模块出厂I²C地址相同（如所有红外模块默认0x20），直接并联将导致总线冲突。
三、创新方案：PWM波形作为"地址信道"
我们摒弃了传统的拨码开关或电阻分压方案（占用额外PCB空间且不可编程），转而利用主机输出的一路专用PWM信号作为地址分配媒介。
具体实现如下：
- 主控（STM32F4）在初始化阶段，通过一个通用定时器（如TIM3_CH1）输出一路PWM波，初始占空比设为30%。
- 每个从机模块（基于STM8S）的某个GPIO配置为输入捕获模式，持续测量该PWM的高电平时间与周期。
- 从机内部预设映射表：
- 占空比30% → I²C地址 0x20
- 占空比50% → I²C地址 0x21
- 占空比70% → I²C地址 0x22
- 主控依次切换占空比（30% → 50% → 70%...），每次切换后短暂延时，允许对应模块完成地址配置。
- 地址分配完成后，该PWM信号可复用为其他用途（如LED调光），或保持静默。
此方案仅需增加1根信号线（PWM_ADDR），即可实现任意数量同类模块的唯一寻址，且无需物理干预。
四、通信协议与事件驱动
地址分配完成后，所有通信回归标准I²C协议。我们定义了简洁的寄存器模型：
- 0x00：模块类型（只读，如0x01=红外枪，0x02=NFC）
- 0x01~0x04：事件缓冲区（如"最近一次打击强度"）
- 0x10：控制寄存器（如使能/禁用、清空事件）
采用主动上报 + ACK确认机制：当模块检测到有效事件（如被击中），立即通过I²C向主控发送中断请求；主控轮询或使用外部中断响应，读取事件数据并回传ACK。若未收到ACK，模块将在下一次主循环重发，确保关键事件不丢失。
五、工程验证与优势
我们在Demo板上集成了6个模块（2红外枪 + 2 NFC + 2 压力区），实测结果如下：
- 地址分配时间 < 200ms；
- 事件上报延迟 < 2ms（@400kHz I²C）；
- 总线误码率 < 10⁻⁶（经10万次随机打击测试）；
- 支持运行时热插拔（新模块插入后自动参与下一轮地址分配）。
该架构极大简化了硬件设计------主板只需预留统一的4Pin接口（VCC/GND/SCL/SDA + PWM_ADDR），模块可即插即用。软件层面，主控只需维护一张"地址-类型"映射表，即可动态识别所有接入设备。
六、总结
这套"I²C + PWM动态寻址"方案，以极低的硬件代价，解决了模块化机器人中最棘手的接口碎片化问题。它不仅提升了系统的可扩展性与鲁棒性，也为未来新增传感器类型（如超声波、IMU）预留了标准化接入路径。在资源受限的嵌入式世界里，有时最优雅的解决方案，恰恰来自于对已有信号的创造性复用。