IMX6ULL裸机｜I2C通信协议 + ADC模数转换学习笔记

📝摘要：本文讲解I2C总线时序、读写流程，实战器件AT24C02 EEPROM、LM75温度传感器；讲解ADC模数转换原理、逐次逼近ADC、分辨率计算，多种数字滤波算法，附带时序示例与计算公式。

🔖标签：#I2C #ADC #AT24C02 #LM75 #嵌入式裸机开发

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1. I2C总线协议基础

I2C是半双工串行通信总线，两根信号线：SCL时钟线、SDA数据线。

• SCL：Serial Clock 串行时钟，由主机产生时钟信号；
• SDA：Serial Data 串行数据线，双向收发数据；>

I2C数据传输高位先行（MSB优先），先发bit7，最后发bit0。

设备地址格式

I2C总线上第一个字节格式：【7位从机设备地址】 + 1位读写方向位

• bit7~bit1：7位设备地址；
• bit0：读写位
  • 0：主机写数据到从机；
  • 1：主机从从机读取数据。

示例：设备地址0x48

写操作：0x48 << 1 | 0 = 0x90

读操作：0x48 << 1 | 1 = 0x91

I2C标准速率：

1. 标准模式：100KHz
2. 快速模式：400KHz
3. 高速模式：1.x MHz
4. 超高速模式：3.x MHz

总线最多挂载127个不同7位地址的从机设备。

2. I2C时序：起始、停止、数据传输、ACK/NACK应答

硬件条件：SDA、SDA需要外接上拉电阻；空闲状态SCL、SDA都为高电平。

① 起始信号 START

SCL为高电平期间，SDA数据线由高电平向低电平跳变（下降沿），代表I2C通信启动。

② 停止信号 STOP

SCL为高电平期间，SDA数据线由低电平向高电平跳变（上升沿），代表通信结束。

③ 数据比特传输规则

1. SCL高电平时：SDA电平必须保持稳定，接收方采样读取SDA上的数据比特；
2. SCL低电平时：发送方才允许改变SDA数据线电平。>

❗不允许SCL为高的时候改变SDA，否则会被识别为START/STOP信号，破坏通信。

④ ACK / NACK应答信号

每传输完8bit（1字节），第9个时钟周期用来做应答：

• ACK应答：接收方把SDA拉为低电平 → 代表接收成功；
• NACK无应答：SDA保持高电平 → 代表接收失败，没有应答。

写流程：每发送1字节，主机释放SDA，等待从机回复ACK；

读流程：主机收到1字节之后，主机控制SDA发出ACK/NACK。

读取最后一个字节的时候，主机发送NACK告诉从机不再继续读数据，之后发出STOP停止信号。

3. I2C写时序、I2C读时序

I2C写流程（主机向从机寄存器写入1字节）

1. 主机发送 START起始信号；
2. 主机发送：7位从机地址 + 写位(0)，等待从机返回ACK；
3. 主机发送从机内部寄存器地址，等待从机ACK；
4. 主机发送要写入的数据字节，等待从机ACK；
5. 主机发送 STOP停止信号，通信结束。

I2C读流程（主机读取从机寄存器数据，组合起始信号）

I2C读之前，必须先写寄存器地址，使用重复起始信号 Repeated START，不发送停止信号。

1. 主机发送START；
2. 发送从机地址+写位0，等待ACK；
3. 发送要读取的内部寄存器地址，等待ACK；
4. 发送重复START信号（Repeated START，不发STOP）；
5. 发送从机地址+读位1，等待从机ACK；
6. 主机接收从机发来的数据字节；
7. 读完最后1字节，主机发出NACK，通知从机不再接收；
8. 主机发送STOP停止信号。

易错坑：读取I2C不能直接上来就发读地址，必须先写寄存器编号；不能中间发STOP，要用重复起始。

软件I2C伪代码示例（模拟发送1字节）

// 发送一个字节，高位先行
void i2c_send_byte(unsigned char dat)
{
    int i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        //SCL拉低，允许修改SDA
        SCL = 0;
        if(dat & 0x80)
            SDA = 1;
        else
            SDA = 0;
        dat <<= 1;
        delay_us(5);
        SCL = 1;    //SCL高，从机采样SDA
        delay_us(5);
    }
    SCL = 0;
    //等待ACK应答
    SDA = 1;    //主机释放SDA
    SCL = 1;
    int ack = SDA;
    SCL = 0;
}

4. I2C实战器件 AT24C02、LM75

AT24C02 EEPROM 电可擦除存储器

• 容量：2Kbit，等价256字节；
• I2C设备地址：0x50；
• 非易失存储，断电数据不会丢失；可以读写保存配置数据。

注意：EEPROM写入之后需要等待内部烧写时间，不能立刻连续写。

LM75 I2C数字温度传感器

参数	说明
工作电压	2.7V ~5.5V
测量量程	-55℃ ~ +125℃
测量精度	±2℃ ~ ±3℃
分辨率	9位，0.5℃
I2C从机地址	0x48
温度寄存器地址	0x00

读取规则：读取2字节原始温度数据，低7位舍弃，有效数据为高9位，再换算摄氏度。

拓展：Cortex‑A7可以打开FPU（CP11协处理器），硬件浮点运算，处理温度浮点计算。

5. ADC模数转换原理

ADC：Analog‑to‑Digital Converter，模数转换器。

作用：把模拟信号（连续变化电压）转换成数字离散采样值 。

现实世界物理量（温度、液位、压力）属于模拟量；计算机只能处理数字。

示例高危液体储罐告警系统：

液位高度变化 → 传感器转换为连续变化电压；ADC采样电压，CPU读取数字值，判断液位是否超限，触发告警。

• 采样率（采样速度，单位HZ）：每秒采集多少次模拟信号；采样率越高采样越密集。>

奈奎斯特采样定理：采样率必须大于信号最高频率2倍，才可以还原原始信号。

ADC关键概念

• Vref：参考基准电压，决定ADC量程。例如Vref=5V，则ADC输入电压范围0~5V。
• 模拟输入电压：外部待测量电压。

6. 逐次逼近型ADC工作原理

逐次逼近ADC，类似二分查找思想，从最高bit到最低bit逐位试探比较。

举例：Vref基准5V，待测电压3.2V

1. 内部DAC输出中间值2.5V，和待测3.2V比较；待测电压更大 → 当前bit置1；
2. 再向上试探：2.5 +1.25 = 3.75V，比3.2V大，bit置0；
3. 继续二分3.125V，小于3.2V，bit置1；
4. 逐位完成所有bit比较，最终输出数字采样结果。

优点：转换速度中等，硬件成本适中，嵌入式MCU大量使用逐次逼近ADC。

7. ADC分辨率与电压计算公式

分辨率代表ADC可以把参考电压切分成多少份。

ADC位数	采样取值范围	份数
8bit	0 ~ 255	256份
10bit	0 ~1023	1024份
12bit	0~4095	4096份
16bit	0~65535	65536份

公式：

输入电压=采样数字值2分辨率位数−1×Vref输入电压 = \frac{采样数字值}{2^{分辨率位数}-1} \times V_{ref}输入电压=2分辨率位数−1采样数字值×Vref

示例：10bit ADC，Vref=5V，读到采样值650

U=6501023×5VU = \frac{650}{1023} \times5VU=1023650×5V

注意：ADC采样存在硬件噪声，会带来采样误差。

8. 数字滤波算法

ADC采样经常受外界干扰，原始数据跳动，软件使用滤波算法降低噪声。

1. 均值滤波：多次采样求算术平均值；抑制随机白噪声；缺点：响应速度变慢。

   //均值滤波示例，采样N次取平均
   #define N 8
   int adc_filter(void)
   {
   int sum = 0;
   for(int i=0;i<N;i++)
   {
   sum += adc_read_sample();
   }
   return sum / N;
   }

2. 低通滤波：滤除高频突变噪声，保留缓慢变化信号，适合温度、液位这类变化慢的物理量。

3. 高通滤波：保留快速变化信号，滤除直流缓慢分量，适合脉冲检测。

4. 卡尔曼滤波：预测式滤波算法，结合历史状态做最优估计，抗干扰强，算法复杂，机器人、姿态传感器大量使用。

9. 英文缩写全称对照表

缩写	英文全称	中文释义
I2C	Inter‑Integrated Circuit	集成电路间串行总线
SCL	Serial Clock	I2C串行时钟线
SDA	Serial Data	I2C串行数据线
ACK	Acknowledge	应答信号
NACK	Not Acknowledge	无应答信号
EEPROM	Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory	电可擦除只读存储器
ADC	Analog‑to‑Digital Converter	模数转换器
DAC	Digital‑to‑Analog Converter	数模转换器
Vref	Reference Voltage	参考基准电压
FPU	Floating‑Point Unit	浮点运算单元（CP11协处理器）
MSB	Most Significant Bit	最高有效位
LSB	Least Significant Bit	最低有效位

💡复习要点总结

1. I2C空闲SDA/SCL高电平；START/STOP都发生在SCL高电平；SCL高时SDA不能随便变；读最后一个字节主机发NACK。
2. I2C读操作要先写寄存器地址，使用重复START，不能直接发读命令。
3. LM75读取的2字节温度，丢弃低7位，使用高9位做温度换算。
4. 逐次逼近ADC本质二分法逐位比较；电压计算公式：采样值/(2^N‑1)*Vref。
5. ADC原始采样有噪声，软件可使用均值滤波、卡尔曼滤波等算法优化数据。