I2C通信协议

1. I2C通信

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

• 同步，半双工
• 带数据应答
• 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从

2. 硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起.

一主多从。左边CPU是单片机，作为总线的主机。主机的权利很大，包括，对SCL线的完全控制；在空闲状态下，主机还可以主动发起对SDA的控制。只有当从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机。

右图是被控IC的内部结构。引脚的信号进来，可以通过一个数据缓冲器或者是施密特触发器进行输入。输入对电路没有任何影响，任何设备在任何时刻都可以输入。输出低电平，开关管导通；引脚直接接地，是强下拉；输出高电平，开关管断开；引脚什么都不接，处于浮空状态。如此一来，所有的设备都只能输出低电平。

注意

为避免高电平造成的引脚浮空，此时需要在总线外面SCL和SDA各外置一个上拉电阻。属于弱上拉。

被控IC是挂载在I2C总线上的从机，可以是姿态传感器、OLED、存储器、时钟模块等。从机的权利很小。对于SCL时钟线，在任何时刻都只能被动的读取，不允许控制SCL线。只有在主机发送读取从机的命令/从机应答后，从机才能短暂地取得SDA的控制权。

提示

主机的SCL可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或者上拉输入。数据流向是：主机发送，所有从机接收。

主机的SDA发送的时候是输出，接收的时候是输入。从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换。

危险

但是，如果总线时序没协调好，极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态，如果这时正好是一个输出高电平，一个输出低电平，就是电源短路。

为了避免电源短路的问题，I2C被设计成禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置若上拉电阻加开漏输出的电路结构。

信息

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式。

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

3. I2C时序基本单元

• 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

• 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

第一个字节必须是主机发送的。最开始，SDA是高电平，主机如果想发送0，就拉低SDA到低电平。

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

发送应答：主机在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，需要释放SDA）

4. I2C时序

• 指定地址写。

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

• 当前地址读

对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

• 指定地址读

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

5. MPU6050简介

MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景。

• 3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度

• 3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度

6. I2C配置函数

6.1 初始化

#include "stm32f10x.h"

void I2C1_Init(void) {
    // 1. 使能 I2C1 和 GPIOB 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 2. 配置 PB6 (SCL) 和 PB7 (SDA) 为复用开漏模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;  // 复用开漏模式
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 配置 I2C1
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;       // I2C 模式
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 标准模式占空比
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;        // STM32 作为主机时，地址可设为 0
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;      // 使能应答
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; // 7位地址
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;       // 100kHz (标准模式)

    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    // 4. 使能 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

6.2 主机发送数据

uint8_t I2C1_Master_Transmit(uint8_t device_addr, uint8_t *data, uint16_t size) {
    // 1. 等待 I2C 总线空闲
    while (I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));

    // 2. 发送 START 条件
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);

    // 3. 等待 SB (START) 标志
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 4. 发送从设备地址（写模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, device_addr << 1, I2C_Direction_Transmitter);

    // 5. 等待 ADDR 标志（确认从设备已响应）
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    // 6. 发送数据
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
        I2C_SendData(I2C1, data[i]);

        // 等待 TXE (发送缓冲区空) 或 BTF (字节传输完成)
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    }

    // 7. 发送 STOP 条件
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

    return 0;  // 成功
}

6.3 主机接收数据

uint8_t I2C1_Master_Receive(uint8_t device_addr, uint8_t *data, uint16_t size) {
    // 1. 等待 I2C 总线空闲
    while (I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));

    // 2. 发送 START 条件
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);

    // 3. 等待 SB (START) 标志
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 4. 发送从设备地址（读模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, device_addr << 1, I2C_Direction_Receiver);

    // 5. 等待 ADDR 标志（确认从设备已响应）
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));

    // 6. 接收数据
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
        if (i == (size - 1)) {
            // 最后一个字节，不发送 ACK
            I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
            I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);  // 发送 STOP 条件
        }

        // 等待 RXNE (接收数据寄存器非空)
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));

        data[i] = I2C_ReceiveData(I2C1);
    }

    // 7. 重新使能 ACK（如果后续还要接收）
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);

    return 0;  // 成功
}