I2C（Inter-Integrated Circuit） - 短距离设备间串行通信协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）——短距离设备间串行通信协议

一、I2C 概述

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）是一种由 Philips 公司开发的简单、双向二线制同步串行总线，专为短距离设备间通信设计。它仅需两根信号线——串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），即可实现主设备与多个从设备之间的数据传输。I2C 总线广泛应用于嵌入式系统、消费电子、工业控制等领域，是连接微控制器与外围设备（如传感器、EEPROM、显示屏等）的常用通信接口。

二、I2C 硬件特性与通信原理

（一）硬件引脚

I2C 总线由两根信号线组成：

• SDA（Serial Data Line）：串行数据线，用于主设备与从设备之间的双向数据传输。
• SCL（Serial Clock Line）：串行时钟线，由主设备产生时钟信号，用于同步数据传输。

（二）通信原理

I2C 通信基于主从架构，主设备负责发起通信、产生时钟信号并控制数据传输方向，从设备则响应主设备的请求。通信过程包括起始条件、地址传输、数据传输、应答信号和停止条件五个阶段。

1. 起始条件：当 SCL 为高电平时，SDA 由高电平跳变为低电平，表示通信开始。
2. 地址传输：主设备发送 7 位或 10 位从设备地址，后跟 1 位读/写标志位（0 表示写操作，1 表示读操作）。
3. 数据传输：主设备与从设备之间进行数据交换，每次传输一个字节（8 位）。
4. 应答信号：每个字节传输后，接收方需发送一个应答位（ACK/NACK），表示数据是否成功接收。
5. 停止条件：当 SCL 为高电平时，SDA 由低电平跳变为高电平，表示通信结束。

三、I2C 工作模式与特性

（一）工作模式

I2C 支持多种工作模式，包括标准模式（≤100 kbps）、快速模式（≤400 kbps）、高速模式（≤3.4 Mbps）和超快速模式（≤5 Mbps，部分设备支持）。用户可根据实际需求选择合适的模式。

（二）特性

• 双向通信：SDA 支持双向数据传输，主设备和从设备均可发送和接收数据。
• 多主设备：I2C 总线支持多个主设备同时工作，但需通过总线仲裁机制避免冲突。
• 硬件简单：仅需两根信号线，降低了电路设计的复杂性。
• 地址区分：每个从设备具有唯一的 7 位或 10 位地址，主设备通过地址选择从设备。

四、I2C 通信时序与协议

（一）通信时序

I2C 通信时序严格遵循起始条件、地址传输、数据传输、应答信号和停止条件的顺序。以下是一个典型的写操作时序：

1. 主设备发送起始条件。
2. 主设备发送从设备地址和写标志位。
3. 从设备发送应答信号。
4. 主设备发送寄存器地址。
5. 从设备发送应答信号。
6. 主设备发送数据。
7. 从设备发送应答信号。
8. 主设备发送停止条件。

（二）协议细节

• 起始与停止条件：通过 SDA 和 SCL 的电平变化实现。
• 地址传输：7 位或 10 位地址后跟 1 位读/写标志位。
• 数据传输：每个字节传输后需接收应答信号。
• 应答信号：低电平表示成功接收，高电平表示接收失败或不需要更多数据。

五、I2C 优缺点分析

（一）优点

• 硬件简单：仅需两根信号线，降低了电路设计的复杂性。
• 支持多设备：一条总线上可连接多个从设备，通过地址区分。
• 双向通信：主设备和从设备均可发送和接收数据。
• 兼容性强：广泛应用于各种微控制器和外围设备。

（二）缺点

• 速度限制：相比 SPI，I2C 的数据传输速率较低，高速模式下也仅能达到 3.4 Mbps。
• 仲裁机制：多主设备情况下，需通过仲裁机制避免冲突，增加了通信复杂性。
• 信号完整性：长距离传输时，信号完整性可能受到影响，需考虑上拉电阻和总线电容。

六、I2C 应用案例：STM32 连接 I2C 传感器

以下是一个使用 STM32 微控制器连接 I2C 温度传感器（如 BMP180）的详细案例：

（一）硬件连接

假设使用 STM32F103 微控制器和 BMP180 温度传感器，硬件连接如下：

• BMP180 VCC 连接 STM32 3.3V。
• BMP180 GND 连接 STM32 GND。
• BMP180 SDA 连接 STM32 PB7（I2C1_SDA）。
• BMP180 SCL 连接 STM32 PB6（I2C1_SCL）。

（二）软件实现

1. I2C 初始化

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#include "stm32f10x.h"
 
void I2C1_Init(void) {
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 
    // 使能 I2C1 和 GPIO 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
 
    // 配置 I2C1 的 SDA 和 SCL 引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
    // 配置 I2C1 参数
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 100 kHz
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
 
    // 使能 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

2. 传感器初始化

c复制代码
#include "bmp180.h"
 
void BMP180_Init(void) {
    uint8_t data;
 
    // 读取校准数据
    BMP180_ReadReg(BMP180_CAL_AC1_MSB, &data, 1);
    // 其他校准数据读取...
 
    // 配置传感器（如设置测量模式）
    // 具体配置取决于传感器规格书
}

3. 数据读取

c复制代码
int16_t BMP180_ReadTemperature(void) {
    uint8_t data[2];
    int16_t temperature;
 
    // 发送测量命令
    BMP180_WriteReg(BMP180_CONTROL, BMP180_TEMP_CONVERT);
    // 等待转换完成
    Delay(5); // 假设转换时间为 5ms
 
    // 读取温度数据
    BMP180_ReadReg(BMP180_TEMP_MSB, data, 2);
    temperature = (data[0] << 8) | data[1];
 
    // 根据传感器规格书进行数据转换
    // temperature = ...;
 
    return temperature;
}

4. 辅助函数

c复制代码
void BMP180_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data) {
    while (I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));
    I2C_GenerateSTART(

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