stm32——I2C协议

I2C协议概述

• I2C协议详解

  概述

  I2C（Inter-Integrated Circuit）协议是由Philips（现NXP）开发的串行通信总线，用于连接微控制器和外围设备（如EEPROM、传感器、ADC/DAC等）。它是一种同步、半双工、多主多从的串行通信协议。

  主要特点

  • 两线制：仅使用两根线进行通信：
    • SCL (Serial Clock Line)：串行时钟线（由主设备生成）
    • SDA (Serial Data Line)：串行数据线（双向传输）
    • 多主多从：总线上可连接多个主设备和多个从设备
    • 半双工：同一时刻只能单向传输数据
    • 地址寻址：每个从设备有唯一7位或10位地址
    • 开漏输出：SCL和SDA均为开漏输出，需外接上拉电阻（4.7kΩ或10kΩ）
    • 线与逻辑：支持多主设备仲裁

      连接拓扑

      核心原理

      1. 起始条件（Start Condition）

      • SCL高电平时，SDA从高→低跳变
      • 主设备获取总线控制权

        SDA: -----|________
                |
        SCL: _____|
        

        2. 停止条件（Stop Condition）

        • SCL高电平时，SDA从低→高跳变
        • 主设备释放总线

          SDA: ________|-----
                  |
          SCL: _______|
          

          3. 数据传输

          • 数据在SCL高电平期间保持稳定
          • 数据变化发生在SCL低电平期间
          • 8位数据，MSB（最高位）优先

            SDA: --Bit7--Bit6--...--Bit0--
                  _   _   _   _   _   _   _   _
            SCL: | |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |
            

            4. 应答机制（ACK/NACK）

            每字节传输后的第9个时钟周期：

            • ACK：接收方拉低SDA（成功接收）
            • NACK：接收方保持SDA高电平（接收失败）

              SDA: ... Bit0 | ACK/NACK
                           _
              SCL: ... Bit0|_| 
              

              5. 地址帧

              • 起始条件后发送
              • 7位地址 + 1位R/W方向位：
                • R/W=0：主→从写操作
                • R/W=1：主←从读操作
                • 地址匹配的从设备回复ACK

                  通信时序

                  写操作时序（主→从）

                  主设备: [START] → [Addr+W] → [Data1] → [Data2] → [STOP]
                  从设备:           [ACK]     → [ACK]     → [ACK]
                  

                  读操作时序（主←从）

                  主设备: [START] → [Addr+R] → [NACK] → [STOP]
                  从设备:           [ACK]     → [Data1] → [Data2]
                  

                  STM32实现（HAL库）

                  初始化流程

                  int main(void) {
                    HAL_Init();                  // 1. HAL库初始化
                    SystemClock_Config();        // 2. 系统时钟配置
                    MX_GPIO_Init();              // 3. GPIO初始化
                    MX_I2C1_Init();              // 4. I2C外设初始化
                    
                    while(1) {
                      // 数据传输操作
                    }
                  }
                  

                  GPIO配置示例

                  static void MX_GPIO_Init(void) {
                    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
                    
                    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOB时钟
                    
                    // 配置PB6(SCL), PB7(SDA)
                    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
                    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;  // 开漏复用
                    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;      // 上拉电阻
                    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
                    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
                    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
                  }
                  

                  I2C外设配置

                  static void MX_I2C1_Init(void) {
                    hi2c1.Instance = I2C1;
                    hi2c1.Init.Timing = 0x00702999;       // 时序配置（根据时钟计算）
                    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
                    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
                    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;          // 主模式设为0
                    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
                    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
                    
                    if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
                      Error_Handler();
                    }
                  }
                  

                  数据传输操作

                  // 写操作示例
                  #define SLAVE_ADDR 0x68 0x00, 0x01, 0x02}; 
                  HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDR, txData, 3, 100);
                  // 读操作示例（先写寄存器地址，再读数据）
                  uint8_t regAddr = 0x32;
                  uint8_t rxData[2];
                  HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDR, &regAddr, 1, 100);
                  HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDR, rxData, 2, 100);
                  
                    // 传输完成处理
                  }
                  
                    /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
                    /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
                    HAL_Init(); // 1. HAL库初始化
                    /* Configure the system clock */
                    SystemClock_Config(); // 2. 系统时钟配置
                    /* Initialize all configured peripherals */
                    MX_GPIO_Init();   // 3. GPIO初始化
                    MX_I2C1_Init();   // 4. I2C外设初始化
                    /* Infinite loop */
                    while (1)
                    {
                      /* Add user code here */
                    }
                  }
                  
                    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
                    /* GPIO Ports Clock Enable */
                    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOB clock (assuming I2C1 uses PB6, PB7)
                    /*Configure GPIO pins : PB6 (SCL), PB7 (SDA) */
                    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7; // SCL, SDA
                    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD; // Alternate Function Open-Drain (开漏)
                    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉电阻 (很重要！)
                    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; // High speed for I2C
                    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1; // Set alternate function to I2C1
                    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
                  }
                  
                    /* I2C1 parameter configuration*/
                    hi2c1.Instance = I2C1; // 选择I2C1外设
                    // !!! 对于STM32G0/G4/H7等新的I2C，需要配置Timing Register !!!
                    // 这个值需要根据你的系统时钟和I2C速度（如100kHz, 400kHz）通过STM32CubeIDE计算或手册查找
                    // 例如，对于48MHz系统时钟，100kHz I2C，可能是0x10901021UL
                    hi2c1.Init.Timing = 0x00702999; // 这是一个示例值，请根据实际情况配置
                    // 如果是较旧的STM32F系列，可能需要配置以下参数而不是Timing
                    // hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000; // 100kHz
                    // hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 占空比
                    // hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; // 主设备模式下为0
                    // hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 7位地址
                    // hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; // 禁用双地址
                    // hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
                    // hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; // 禁用通用呼叫
                    // hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE; // 禁用时钟延长
                    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; // 主设备模式下，自身地址通常不重要
                    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; // 7位地址模式
                    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
                    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
                    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
                    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
                    // 调用HAL库函数进行I2C初始化
                    if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
                    {
                      Error_Handler(); // 初始化失败，调用错误处理函数
                    }
                    // 使能模拟降噪滤波器（可选，CubeIDE默认开启）
                    if (HAL_I2CEx_ConfigAnalogFilter(&hi2c1, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE) != HAL_OK)
                    {
                      Error_Handler();
                    }
                    // 使能数字降噪滤波器（可选，CubeIDE默认开启）
                    if (HAL_I2CEx_ConfigDigitalFilter(&hi2c1, 0) != HAL_OK)
                    {
                      Error_Handler();
                    }
                  }
                  0x00, 0x01, 0x02}; // 第一个字节通常是内部寄存器地址，后面是要写入的数据
                  HAL_StatusTypeDef status;
                  // 1. 向从设备写入数据
                  // HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
                  status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS_WRITE, txData_write, sizeof(txData_write), HAL_MAX_DELAY);
                  if (status != HAL_OK)
                  {
                      // 错误处理，例如：
                      if (status == HAL_ERROR) {
                          // 总线错误，如ACK未收到
                      } else if (status == HAL_TIMEOUT) {
                          // 超时
                      }
                      Error_Handler();
                  }
                  HAL_Delay(10); // 延时等待从设备处理
                  
                      Error_Handler();
                  }
                  HAL_Delay(10);
                  
                      Error_Handler();
                  }
                  // 2. 紧接着，从该从设备读取数据 (HAL库内部会处理重复起始条件)
                  status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SLAVE_ADDRESS, rxData_reg, sizeof(rxData_reg), HAL_MAX_DELAY);
                  if (status != HAL_OK)
                  {
                      Error_Handler();
                  }
                  HAL_Delay(10);