STM32 I2C 总线通信实战｜从原理到 OLED 屏数据收发（超详细）---STM32 HAL库专栏

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前言

[一、I2C 总线核心基础知识](#一、I2C 总线核心基础知识)

1.1、总线组成与硬件规则

[二、I2C 总线通信时序过程](#二、I2C 总线通信时序过程)

2.1、总体流程

2.2、起始位

[2.3、寻址阶段](#2.3、寻址阶段)

[三、CubeMX 配置 I2C+OLED 屏通信](#三、CubeMX 配置 I2C+OLED 屏通信)

3.1、OLED简介

3.1.1、实物及原理图

[3.2、CubeMX 完整配置步骤](#3.2、CubeMX 完整配置步骤)

3.2.1、创建新工程及选择芯片型号

[3.2.2、选择SYS 外设的核心配置及设置引脚模式](#3.2.2、选择SYS 外设的核心配置及设置引脚模式)

[3.3.1、查找OLED屏的I2C 地址（查找手册）](#3.3.1、查找OLED屏的I2C 地址（查找手册）)

[3.3.2、OLED 屏控制指令（核心）](#3.3.2、OLED 屏控制指令（核心）)

[3.3.3、 I2C 核心 API（CubeMX 生成）](#3.3.3、 I2C 核心 API（CubeMX 生成）)

[写数据 API：HAL_I2C_Master_Transmit（向从机写数据）](#写数据 API：HAL_I2C_Master_Transmit（向从机写数据）)

[读数据 API：HAL_I2C_Master_Receive（从从机读数据）](#读数据 API：HAL_I2C_Master_Receive（从从机读数据）)

3.3.4、keil最终程序

总结

前言

本此博客基于 STM32F103 系列单片机，从 I2C 总线核心原理（开漏输出、线与逻辑、通信时序）讲起，使用 CubeMX 配置 I2C、实现 OLED 屏数据收发，并联动控制板载 LED。

一、I2C 总线核心基础知识

串口只能实现 "一对一" 通信，一个串口可以让单片机跟一个外部设备相连，所以通过串口USART1、USART2、USART3，我们的单片机可以跟三个外部设备相连，如下图所示：

1.1、总线组成与硬件规则

但如果想要连接更多的设备，就要使用总线了，比如本期博客我们要讲的I2C总线。

而 I2C 总线是多设备互联的核心方案 ------ 仅需 SCL（时钟线）、SDA（数据线）两根线，就能让一个主机挂载多个从机，是传感器、显示屏等外设的主流通信方式。如下图所示：

I2C总线由SCL、SDA组成。

SCL负责传输高低变化的方波信号，每个时钟周期传输一位，所以时钟的频率越高，传输的速率越快。

SDA负责传输数据，高电压表示1，低电压表示0；

主机和从机各有SCL、SDA引脚，两种引脚各自与I2C总线的SCL、SDA引脚相连；

SCL、SDA各连接一个阻值4.7k的上拉电阻；

主/从机的SCL、SDA引脚都使用开漏输出 。开漏输出如下图所示：

疑问：为什么I2C所有的引脚都要配置开漏输出？为什么要配置两个上拉电阻呢？

答案：这其实是为了实现逻辑线与。

当主机、从机均配置高阻抗时，总线由于配置了上拉电阻，所以显示高电压；

只要有一个"机"配置的低电压，那么Vdd的电流就会直接通往此"机",从而总线显示低电压

二、I2C 总线通信时序过程

2.1、总体流程

I2C 通信由主机全程主导，完整时序分为 4 个核心阶段，流程图直观拆解全过程：

2.2、起始位

过程如下图所示：

触发条件：主机控制SCL 保持高电平 ，SDA 产生下降沿（高→低）；

作用：告诉所有从机 "通信开始，准备接收地址"。

2.3、寻址阶段

主机动作：通过 SCL 控制时钟节奏，SDA 依次发送7 位从机地址 （图中比如是0x78）+ 1 位读写方向位（0 = 写，1 = 读）；

从机动作：所有从机对比自身地址，匹配成功的从机在第 9 个时钟周期向 SDA 发送1 位应答位（ACK）（低电平 = 应答成功）；

核心：每台 I2C 设备都有唯一地址，主机通过寻址确定 "和谁通信"。

注意：寻址阶段 NAK 的原因

地址填错，要寻址的从机不存在
要寻址从机正忙，来得及回复 ACK
从机故障

2.4、数据传输阶段

写数据：主机在 SCL 时钟同步下，通过 SDA 逐位发送有效数据，从机每接收 1 字节后回复 1 位应答位；

读数据：读写方向位为 "读" 时，从机在 SCL 时钟同步下发送数据，主机接收后回复应答位；

关键：无论读写，SCL 始终由主机控制，仅 SDA 的收发方互换。

2.5、停止位

触发条件：主机控制SCL 保持高电平，SDA 产生上升沿（低→高）；

作用：告诉所有从机 "本次通信结束"。

2.6、全过程总结

2.7、波特率

波特率越大，数据传输越快，但是越不稳定，f103单片机只支持前两钟模式：

注意：通常使用2：1的模式。

三、CubeMX 配置 I2C+OLED 屏通信

3.1、OLED简介

OLED显示屏：性能优异的新型显示屏，具有功耗低、相应速度快、宽视角、轻薄柔韧等特点

0.96寸OLED模块：小巧玲珑、占用接口少、简单易用，是电子设计中非常常见的显示屏模块。

供电：3~5.5V，通信协议：I2C/SPI，分辨率：128*64

3.1.1、实物及原理图

实物图如下图所示：

原理图如下：

VCC - 电源 +

GND - 接地

SCL - I2C 接口的串行时钟线

SDA - I2C 接口的串行数据线

3.2、CubeMX 完整配置步骤

CubeMX新建项目------选型号------选调试接口------配置PC13引脚（板载LED，跟前几次操作相同）------设置I2C接口

1.打开STM32CubeMX,新建工程，选择芯片

2.设置芯片的调试接口（如果忘记这个步骤，芯片的调试接口将被锁死，程序烧录不进去）

3.2.1、创建新工程及选择芯片型号

首先点击File --->点击New project

选中STM32F103C8T6,再点击start project

3.2.2、选择SYS 外设的核心配置及设置引脚模式

在SYS Mode and Configuration栏中，按如下配置：

调试模式（Debug）：选定了Serial Wire（SW 模式）。

这是 STM32 最常用的调试接口模式，仅需占用SWDIO和SWCLK两个引脚。

时基源（Timebase Source）：选定了SysTick。

这表示将系统滴答定时器作为 HAL 库的时基来源，用于实现HAL_Delay()等延时函数，是 STM32 工程的标准配置。

并在右侧芯片图中点击PC13设置为GPIO_Output"

PA9引脚设置为GPIO_input"

3.2.3、pc13引脚参数设置

点击GPIO选中对应的引脚，即可设置参数，设置为开漏模式，初值为高电平，这样led默认为熄灭。

3.2.4、设置I2C接口

在connectivity里可以看到，单片机有两个I2C接口I2C1和I2C2，任选一个即可

I2C有三种模式：

I2C为标准I2C接口（一般使用这个）

下边两行为系统管理总线（不常用）

选完第一种，可以看到底下出现了各种参数

当STM32当作主机时，设置Master Features（主机参数，更常用），如下图所示：

速度等级其实也就是波特率等级，决定着下面比特率参数的范围。

我们的OLED显示器支持快速模式，所以点击快速模式，并出现新的参数：

占空比只要没特殊要求一般就选择2：1。

可以看到软件已经自动帮我们分配了I2C的引脚：

继续点击GPIO的I2C，可以看到CubeMX已经自动将GPIO模式设置成立复用输出开漏模式。保持默认就好。

3.2.5项目管理与生成

给项目取名、设置位置、选择开发的工具链，再点击GENERATE CODE生成

3.3、代码编写

接线图如下：

注意：市面多数 OLED 屏均自带上拉电阻，接线仅需 SCL/SDA + 正负极（所以可不接电阻）

3.3.1、查找OLED屏的I2C 地址（查找手册）

可知地址为：0x78

3.3.2、OLED 屏控制指令（核心）

通过 I2C 向 OLED 屏发送特定指令，可实现屏幕初始化、显示控制等功能，手册核心指令示例：

复制代码

// 示例：OLED屏初始化指令数组（需根据手册调整）
uint8_t oled_cmd[] = {
    0x00, // 指令起始位
    0xAE, // 关闭显示
    0xD5, // 设置显示时钟分频比/振荡器频率
    0x80, // 分频比设置
    0xA8, // 设置多路复用率
    0x3F, // 多路复用率值
    0xa5  //全白
    // ... 其他初始化指令
    0xAF  // 开启显示
};

3.3.3、 I2C 核心 API（CubeMX 生成）

CubeMX 为 I2C1 生成句柄hi2c1，核心通信接口：

写数据 API：HAL_I2C_Master_Transmit（向从机写数据）

复制代码

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(
    I2C_HandleTypeDef *hi2c,    // I2C句柄指针，实战填&hi2c1（CubeMX生成）
    uint16_t DevAddress,        // 从机地址，实战填OLED屏地址0x78
    uint8_t *pData,             // 要发送的数据缓冲区（指令/数据数组）
    uint16_t Size,              // 发送数据长度，以字节为单位
    uint32_t Timeout            // 超时时间(ms)，HAL_MAX_DELAY表示无限等待
);

参数 / 返回值	实战说明	图片标注对应项
`*hi2c`	固定传入`&hi2c1`，指定使用 I2C1 接口通信	黄色标注：&hi2c1
`DevAddress`	OLED 屏写地址固定为`0x78`，不可修改	黄色标注：0x78
`*pData`	传入指令数组（如`oled_init_cmd`）或数据数组	图片标注：要发送的数据
`Size`	传入数组长度（如`sizeof(oled_init_cmd)`）	图片标注：要发送数据的数量
`Timeout`	调试阶段可用`HAL_MAX_DELAY`（无限等待），量产建议设 100~500ms	黄色标注：HAL_MAX_DELAY
返回值	`HAL_OK`：发送成功；`HAL_ERROR`：发送出错；`HAL_BUSY`：I2C 接口忙；`HAL_TIMEOUT`：发送超时	图片标注：成功 / 失败返回结果

读数据 API：HAL_I2C_Master_Receive（从从机读数据）

复制代码

HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(
    I2C_HandleTypeDef *hi2c,    // I2C句柄指针，实战填&hi2c1
    uint16_t DevAddress,        // 从机读地址
    uint8_t *pData,             // 接收数据缓冲区（存储读取的状态字/数据）
    uint16_t Size,              // 接收数据长度，以字节为单位
    uint32_t Timeout            // 超时时间(ms)，建议设100ms以上
);

参数 / 返回值	实战说明
`*hi2c`	同写数据 API，固定传入`&hi2c1`
`DevAddress`	OLED 屏读地址为ox78
`*pData`	传入单字节数组（如`uint8_t status[1]`），存储读取的状态字
`Size`	读取状态字时填 1，读取多字节数据时填对应长度
`Timeout`	建议设 100ms，避免因通信异常导致程序阻塞
返回值	与`HAL_I2C_Master_Transmit`一致，通过返回值判断读取是否成功

打开keli可以发现CubeMX已经为I2C1生成了一个句柄：

3.3.4、keil最终程序

现在使用第一个接口将命令发送出去，在最开始，我们需要生成一个数组，存放命令：

此外，我们还想将板载指示灯当作OLED屏指示灯来使用，当屏幕开启时，点亮这颗LED，查询手册可知屏幕有一个状态字可表示屏幕的开启或关闭。如下图所示：

总结

使用 CubeMX 配置 I2C、实现 OLED 屏数据收发，并联动控制板载 LED。

STM32 I2C 总线通信实战｜从原理到 OLED 屏数据收发（超详细）---STM32 HAL库专栏

前言

一、I2C 总线核心基础知识

1.1、总线组成与硬件规则

二、I2C 总线通信时序过程

2.1、总体流程

2.2、起始位

2.3、 寻址阶段

2.4、数据传输阶段

2.5、停止位

2.6、全过程总结

2.7、波特率

三、CubeMX 配置 I2C+OLED 屏通信

3.1、OLED简介

3.1.1、实物及原理图

3.2、CubeMX 完整配置步骤

3.2.1、创建新工程及选择芯片型号

3.2.2、选择SYS 外设的核心配置及设置引脚模式

3.2.3、pc13引脚参数设置

3.2.4、设置I2C接口

3.2.5项目管理与生成

3.3、代码编写

3.3.1、查找OLED屏的I2C 地址（查找手册）

3.3.2、OLED 屏控制指令（核心）

3.3.3、 I2C 核心 API（CubeMX 生成）

写数据 API：HAL_I2C_Master_Transmit（向从机写数据）

读数据 API：HAL_I2C_Master_Receive（从从机读数据）

3.3.4、keil最终程序

总结

2.3、寻址阶段