STM32学习23--I2C-1

小心亦新2026-08-17 12:22

一、简介

1、I2C(Inter-Integraed Circuit，集成电路间总线），飞利浦1982年推出的一种通用数据总线；

同步半双工、串行、多主从总线，只用2根信号线即可挂载多个设备（一主多从、多主多从），广泛用于传感器、OLED、EEPROM、RTC、AD/DA等低速外设。

2、两根核心信号线：所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连一起

1）SDA：Serial Data，数据线，双向传输数据；

2）SCL：Serial Clock，时钟线，由主机产生同步时钟；

3、硬件关键：上拉电阻

SDA、SCL都是开漏输出，只能拉低电平，无法主动输出高电平；

必须外接4.7~10kΩ的上拉电阻到电源（3.3V/5V）；

总线空闲时，SDA、SCL都是高电平。

必须开漏原因：I2C的SDA、SCL都是共享双向总线，多个设备并联在同一根线上，不能强行输出高电平，只能拉低，只有开漏能实现：只拉低、不主动拉高的电气特性。

推挽输出VS开漏输出

推挽：内部两个MOS管：上管接VCC，下管接GND。输出高电平：上管导通→强行把信号线拉到VCC；

输出低电平：下管导通→强行拉到GND；

致命问题：总线上两个设备同时控制一根线时会打架：设备A输出高（强制VCC），设备B输出低（强制GND），电源直接对地短路→大电流烧坏芯片IO口。

开漏输出：内部只有下拉MOS管，没有上拉管；

输出低：下拉管导通→信号线拉到GND；

输出高：下拉管断开→IO浮空高阻，不控制这条线。所以总线电平完全靠外部上拉电阻维持，芯片不能主动强行拉高。

4、电气电平兼容

标准：5V I2C，现在主流3.3V。可通过电平转换模块实现5V→3.3V。

5、时钟频率

标准模式：100KHz，通用低速外设；

快速模式：400KHz，大多数传感器、屏幕等外设；

一句话本质：SCL提供节拍，SDA在时钟高/低电平的时候改变数据，一问一答通信。

I2C铁律：数据只有SCL低的时候才能变；SCL高的时候SDA变化，只能用来做起始和停止，不能传输数据。

二、寻址机制

1、地址格式与寻址原理

I2C总线通过唯一的地址来区分挂载在同一总线上的不同从设备。每个从设备在出厂时都会被分配一个固定的7位或10位地址，主机在发起通信时，首先发送目标从机的地址，只有地址匹配的从机才会响应后续的数据传输。这种机制允许多个设备共享同一对信号线（SDA和SCL），实现了简洁的总线拓扑。

一条I2C总线理论上最多可挂载的设备数量由地址位数决定：

  • 7位地址模式 ：这是最常用的模式。7位地址范围是0x00到0x7F（二进制0000000到1111111），共128个地址。但其中0x00 (0000000) 被保留为广播地址，0x01到0x07 (0000001到0000111) 以及0x78到0x7F (1111000到1111111) 被保留用于特殊用途（如10位地址扩展、CBUS兼容等）。因此，实际可用的普通从机地址约为112个。在完整的I2C数据帧中，地址字节由7位地址和1位读写方向位（R/W）组成，共8位（1字节）。
  • 10位地址模式：为满足更多设备的需求，I2C协议扩展了10位地址模式。其地址范围是0x000到0x3FF，共1024个地址。10位地址的传输需要两个字节：第一个字节的高5位是固定的11110，后两位是10位地址的最高两位（A9, A8），加上读写位；第二个字节是地址的低8位（A7-A0）。由于寻址过程更复杂，且大多数应用场景112个地址已足够，因此10位地址在实际项目中较少使用。

2、7位地址帧结构详解

一个完整的7位地址数据帧结构如下：

plaintext 复制代码 
| 7位从机地址 (A6-A0) | 读写位 (R/W) |
|---------------------|-------------|
|        MSB First    |   0=写, 1=读  |

读写位 (R/W Bit)：这是地址字节的第8位（最低位LSB）。

  • 0 (写模式)：表示主机将要向从机写入数据。
  • 1 (读模式)：表示主机将要从从机读取数据。

示例：从机地址0x48的读写指令

假设一个从设备（如某个温度传感器）的7位硬件地址是0x48（二进制0100 1000）。

  • 主机写指令 ：主机需要向该传感器写入配置寄存器。
    计算：地址0x48左移1位（0x48 << 1 = 0x90），然后与写位0进行或操作（0x90 | 0 = 0x90 ）。
    因此，主机发送的地址字节是0x90（二进制1001 0000），其中高7位0100100是地址，最低位0表示写操作。
  • 主机读指令 ：主机需要从该传感器读取数据。
    计算：地址0x48左移1位（0x90），然后与读位1进行或操作（0x90 | 1 = 0x91 ）。
    因此，主机发送的地址字节是0x91（二进制1001 0001），最低位1表示读操作。

在代码中，我们通常使用宏定义或移位操作来组合地址和读写位：

c 复制代码 
#define DEVICE_ADDR 0x48
#define WRITE_CMD  ((DEVICE_ADDR << 1) | 0) // 0x90
#define READ_CMD   ((DEVICE_ADDR << 1) | 1) // 0x91

3、ACK/NACK应答机制详解

ACK（Acknowledge）应答是I2C协议保证数据可靠传输的核心机制。其规则如下：

  1. 时机 ：在每成功传输一个字节（8位数据）后 的第9个时钟周期，由数据的接收方发出应答信号。
  2. ACK信号（应答）：接收方（无论是主机还是从机）在SCL的第9个高电平期间，将SDA线拉低（输出低电平），表示"已成功收到上一个字节，请继续发送"。
  3. NACK信号（非应答）：接收方在第9个时钟周期保持SDA线为高电平（不拉低），表示"未成功接收或不再需要数据"。
  4. 物理过程：在第9个时钟周期，SCL由主机拉高。在此期间，发送方会释放SDA线（变为高阻态），而接收方则控制SDA线电平。若接收方拉低SDA，则总线呈现低电平，即ACK；若接收方不拉低，则上拉电阻将SDA维持在高电平，即NACK。主机在SCL高电平期间采样SDA线状态，以判断应答结果。

NACK出现的常见原因：

  • 从机设备不存在：主机发送的地址在总线上无对应设备。
  • 地址错误：主机发送的地址与从机硬件地址不匹配。
  • 从机忙：从机正在处理其他任务，无法及时响应。
  • 通信结束：主机在读取多个字节后，发送NACK告知从机停止发送数据。
  • 从机故障：从机硬件损坏或电源异常。

4、广播地址与特殊地址

如前所述，部分地址被协议保留用于特殊功能：

  • 广播地址 (0x00)：主机可以向地址0x00发送数据，总线上所有从机都会接收。这用于同时配置多个同型号设备或发送系统复位命令等场景，但使用较少。
  • CBUS地址 (0x01, 0x02)：用于与旧的CBUS兼容设备通信。
  • 保留地址 (0x03-0x07, 0x78-0x7F)：为未来协议扩展或其他用途保留，不应分配给普通从机。

在实际选型和电路设计时，需要查阅器件数据手册，确认其使用的具体I2C地址，并注意避免地址冲突。

三、标准通讯时序

1、起始信号Start

SCL高电平期间，SDA由高→低，总线启动（告诉从设备，准备通信）。规则：SCL高，SDA跳变（起始/停止），SCL低时，才能切换SDA传输数据；

2、停止信号Stop

SCL高电平期间，SDA由低→高，通信结束；

3、数据传输

1）发送一个字节：

SCL拉低→主机改变SDA电平（0/1），高位先行；

SCL拉高→从机读取SDA电平；

所以SCL高电平期间，SDA不允许有数据变化，依次循环上述8次，即可发送一个字节。

即：低电平主机放数据，高电平从机读数据。

2）接收一个字节

SCL低电平，从机将数据位依次放SDA线，高位先行；

释放SCL，主机在SCL高电平期间读取数据位；

SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述8次，即可接收一个字节，但主机在接收之前，需要释放SDA。

即：低电平从机放数据，高电平主机读数据

3）发送和接收应答

发送应答：主机接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答；

接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，数据释放SDA）。

注：发送和接收应答，都是相对主机而言

4、完整写时序（主机写1字节到从机寄存器）

1）发送Start起始；

2）发送从机7位地址+写位（R/W=0）；

3）等待从机ACK应答；

4）发送寄存器地址；

5）等待ACK；

6）发送要写入的数据字节；

7）等待ACK；

8）发送Stop停止；

5、完整读时序（读取从机寄存器数据）

I2C读分为2步：先指定寄存器，再切换读模式；

1）start

2）从机地址+写位，发送寄存器地址，ACK；

3）重复起始信号；

4）从机地址+读位（R/W=1）;

5）主机释放SDA，等待从机输出数据；

6）读取数据：

继续读：主机返回ACK；

读完最后一个字节：主机返回NACK告知从机停止输出；

7）Stop停止；

四、两种实现方式

1、硬件I2C（STM32内置外设）

优点：硬件自动生成SCL时序，CPU占用低，速度稳定，支持DMA；

缺点：引脚固定，资源有限，配置较复杂；

适用：大量、高频I2C读写（屏幕、多传感器）；

2、软件模拟

优点：任意2个GPIO口都能当SDA/SCL，灵活，跨芯片通用；

缺点：占用CPU，速度慢，中断会打断时序导致通讯异常；

适用：低速、简答外设、I2C引脚被占用时替代；

五、代码部分

采用软件模拟的方式，根据I2C时序，写I2C函数：

起始：MyI2C_Start()；结束：MyI2C_Stopt();

主机发送一个字节：MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);

主机接收一个字节：uint8_t MyI2C_ReceiveByte()；

主机发送应答：MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);

主机接收应答：MyI2C_ReceiveAck();

1、MyI2C.c文件

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#define SCL_PORT GPIOB
#define SCL_PIN  GPIO_Pin_10
#define SDA_PIN  GPIO_Pin_11
/**
@brief BitValue设1或0就可以释放或者拉低SCL，也可在函数里加入延时函数，延时操作
@param
@retval
*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)//w表示写
{
GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_10,(BitAction)BitValue);
Delay_us(5);
}
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)//w表示写
{
GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_11,(BitAction)BitValue);
Delay_us(5);
}
/**
@brief  读取SDA的电平
@param
@retval
*/
uint8_t MyI2C_R_SDA()
{
uint8_t BitValue;
BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11);
Delay_us(5);
return BitValue;
}
void MyI2C_Init()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructrue;
GPIO_InitStructrue.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;//配置成开漏输出，同时也可以输入
GPIO_InitStructrue.GPIO_Pin =GPIO_Pin_10 |GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructrue.GPIO_Speed =GPIO_Speed_50MHz ;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructrue);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_10 |GPIO_Pin_11);	
}
//先拉低SDA，再拉低SCL
void MyI2C_Start()
{
MyI2C_W_SDA(1);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(0);
MyI2C_W_SCL(0);
}
//除了终止条件，其他都会保证SCL以低电平结束，方便各个单元拼接
/停止/
void MyI2C_Stop()
{
MyI2C_W_SCL(0);
MyI2C_W_SDA(0);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(1);
}
//主机发送
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
//	MyI2C_W_SDA(Byte&0x80);//取出数据的最高位
uint8_t i;
for(i=0;i<8;i++)
{
MyI2C_W_SDA(Byte&(0x80>>i));//数据从高到低位，加载到SDA上
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SCL(0);
}		
}
uint8_t MyI2C_ReceiveByte()
{
uint8_t i,Byte =0x00;
MyI2C_W_SDA(1);
for(i=0;i&lt;8;i++)
{
	MyI2C_W_SCL(1);
	if(MyI2C_R_SDA()==1)
	{
		Byte |=(0x80&gt;&gt;i);
	}
	MyI2C_W_SCL(0);		
}
return Byte;
}
//发送应答
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
MyI2C_W_SDA(AckBit);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SCL(0);	
}
uint8_t MyI2C_ReceiveAck()
{
uint8_t AckBit ;
MyI2C_W_SDA(1);//主机释放SDA
MyI2C_W_SCL(1);
AckBit = MyI2C_R_SDA();
MyI2C_W_SCL(0);		
return AckBit;
}

2、MyI2C.h文件

cpp 复制代码 
#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H
void MyI2C_Init();
void MyI2C_Start();
void MyI2C_Stop();
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte();
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck();
#endif

3、main函数测试

以MPU6050，发送地址，看是否应答：0应答（代码正确），1非应答（代码不正确）；

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "I2C.h"
int main()
{
OLED_Init();
MyI2C_Init();
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(0xD0);
uint8_t ACK =MyI2C_ReveiveACK();
MyI2C_Stop();	
OLED_ShowNum(1,1,ACK,2);
while(1)
{
	
}
}

经实测，变量ACK为0，代码正确。

六、适配I2C三大核心机制

1、多设备总线共享

一条I2C总线挂主机+个哥从机，所有SDA/SCL并联。

任何设备想发0：自己开漏拉低信号线；

任何设备想发1：自己高阻放手，由上拉电阻统一拉为高；

不存在一方强制拉高、另一方强制拉低短路冲突。

2、双向SDA数据

SDA是双向：主机发数据、从机回ACK/读取数据；

主机发送数据是：主机控制SDA电平；

从机应答ACK时：主机释放SDA（高阻），从机单独拉低SDA；如果是推挽，主机一直强制拉高，，，从机根本拉不低，ACK信号根本无法发出，通信失效。

3、多主机仲裁

I2C支持多个主机，仲裁逻辑：

主机发出1，但总线被另一台主机拉成0，本机检测到电平不一致，主动放弃总线。只有开漏架构，才能做到：多个主机可以独立拉低总线，但不能强制拉高"，仲裁才能正常工作。

本文完！

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