一文搞懂I2C通信协议：原理与STM32实现详解

一文搞懂I2C通信协议：原理与STM32实现详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_45264425/article/details/140163843

**I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种同步串行通信总线，由飞利浦公司在上世纪八十年代初开发。与SPI相比，I2C只需要两根信号线（SCL和SDA）就可以实现数据的双向传送，因此接线形式更简单。I2C被广泛应用于EEPROM存储设备、四轴无人机的IMU传感器（如MPU6050）等场景。本文将详细介绍I2C通信协议的工作原理，并以STM32微控制器为例，讲解其具体实现。

1. I2C通信协议基础

I2C是一种同步通信机制，两根信号线一根用于时钟信号（SCL），另一根则用于数据传送（SDA）。根据时钟信号的来源，I2C的通信设备分为主从两种模式。每次通信都是由主设备发起，并产生时钟信号用于主从设备之间的数据同步。在通信结束后，主设备需要停止产生时钟。

I2C总线上允许连接多个设备，采用寻址的方式选定从设备通信。主设备通过保持SCL为高电平信号，同时控制SDA信号产生一个下降沿，来产生一个起始信号（START）到总线上，标志着一次通信的开始。结束信号则是在保持SCL为高电平信号时，控制SDA产生一个上升沿。

I2C的通信是以字节为单位进行的，先发送高位后发送低位，每一位的数据发送都是在SCL处于高电平信号时进行的。每个字节传送完毕后，必须由数据的接收方产生一个ACK信号到总线上。如果从设备忙，或者接收方不能及时响应，它们可以把SCL信号线拉低，强制主设备进入等待状态。

2. STM32的I2C外设模块

STM32的I2C外设模块结构如图所示，对外有三个引脚SCL、SDA和SMBA。有两个控制寄存器CR1和CR2用于控制逻辑，通过它们可以触发起始和停止信号，做出ACK响应，配置外设时钟频率，开启DMA和中断的功能。同时控制逻辑的状态会反馈到SR1和SR2两个状态寄存器上。

STM32专门提供了一个时钟控制器用于驱动同步时钟信号线SCL。通过配置CCR寄存器，可以调整SCL的频率。还有一个与SCL有关的寄存器TRISE，它定义了通信过程中时钟信号上升沿的最大时间。

数据的收发主要涉及到数据寄存器（DR）和数据移位寄存器（DSR）。当需要发送数据时，把要发送的字节写入DR寄存器。硬件会判定DSR寄存器是否为空，把DR中的字节搬到DSR中。然后在时钟信号的控制下，把DSR最高位的数据放到数据线SDA上，并对DSR进行移位操作。当8位数据通过移位操作发送完毕之后，如果通信没有结束，将再次从DR中搬一个字节到DSR中，继续发送数据。

当设备工作在接收机状态下时，数据控制器根据时钟信号，把SDA线上的高低电平转换为‘1’‘0’数据，写到DSR的最低位。同时DSR左移位，当接收完一个字节的8位数据后，把DSR中的数据搬到DR寄存器中。再从DR寄存器中把数据读出来，模块会产生一个ACK信号到总线上。

在STM32中，I2C模块可以工作主从两种模式下。模块有两个地址寄存器，通过与DSR寄存器中接收的数据对比，来监听总线上的地址信号。如果能够匹配上，则建立起一个连接与主设备进行通信。

3. I2C通信的实现

3.1 初始化过程

在使用I2C外设之前，需要先对它进行初始化操作。主要涉及三个方面的工作：

• 打开外设相关的时钟
• 对外设涉及的引脚进行配置
• 修改外设的寄存器配置外设的工作方式

整个过程如函数i2c1_init()的实现：

void i2c1_init(void) {
    // 开启外设时钟
    RCC->AHB1ENR.bits.gpiob = 1;
    RCC->APB1ENR.bits.i2c1 = 1;
    // 配置引脚功能
    GPIOB->AFR.bits.pin8 = GPIO_AF_I2C1;
    GPIOB->AFR.bits.pin9 = GPIO_AF_I2C1;
    struct gpio_pin_conf pincof;
    pincof.mode = GPIO_Mode_Af;
    pincof.otype = GPIO_OType_OD;
    pincof.pull = GPIO_Pull_Up;
    pincof.speed = GPIO_OSpeed_High;
    gpio_init(GPIOB, GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9, &pincof);
    // 配置外设
    i2c_init(I2C1);
}

在函数i2c_init()中对外设I2C1进行初始化配置。首先在3~6行重置外设，使得外设的各种控制器恢复到初始状态，放置异常的状态导致总线死锁。接着在第8行，设置CR2寄存器设定I2C的工作频率为42MHz。

然后在10~13行设置TRISE和CCR寄存器，配置同步时钟信号线的频率和上升沿时间，因为对这两寄存器的改写必须保证外设关闭，所以在10行中先关闭外设，再在第13行中打开。我们配置CR1寄存器，使得外设在接收到数据后能够返回一个ACK信号。

最后在第16行，我们随意指定了本地的地址为0xC0。

关于初始化过程，需要注意的是，第12行对CCR的配置。在STM32中，I2C有标准和快速两种工作方式，标准模式总线上的时钟频率小于100KHz，快速的为400KHz，这点通过配置CCR寄存器来实现。CCR寄存器中有三个字段F/S、DUTY和CCR。F/S设定了外设的工作模式，对应CCR寄存器的第16位，为1表示快速模式。DUTY则定义了时钟信号的占空比，这里的配置是低电平的时间时高电平时间的两倍。CCR则定义了SCL的频率。

3.2 读写操作

下面的函数i2c_read_bytes()实现了从外设中读取一段数据的操作。它由5个参数，i2c是一个指向外设寄存器的指针，可以的取值为I2C1，I2C2和I2C3。addr则是目标从设备的地址。reg描述了访问外设的寄存器地址，len则描述了欲读取的字节数，buf则指向了一篇缓存用于存放读取的数据。

函数的工作流程在程序中的注释已经写得比较清楚了：

void i2c_read_bytes(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg, uint8 len, uint8 *buf) {
    // 总线空闲
    while (1 == i2c->SR2.bits.BUSY);
    // 产生START,进入Master模式
    i2c->CR1.bits.START = 1;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
    // 发送7位地址, 发送模式
    i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_TX;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR_TXE_TRA));
    // 发送寄存器地址
    i2c->DR = reg;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
    // 重新产生起始位, 进入Master Receiver模式
    i2c->CR1.bits.START = 1;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
    i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_RX;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR));
    // 依次接收字节,每次接收都需要返回一个ACK
    i2c->CR1.bits.ACK = 1;
    while (len > 1) {
        while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_RXNE));
        buf[0] = i2c->DR;
        buf++; len--;
    }
    // 读最后一个字节,所以返回NACK
    i2c->CR1.bits.ACK = 0;
    i2c->CR1.bits.STOP = 1;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_RXNE));
    buf[0] = i2c->DR;

    i2c->CR1.bits.ACK = 1;
}

类似的，我们定义了函数i2c_write_bytes()用于向外设发送一堆数据。它也有5个参数，定义与读操作的参数一样，只是最后一个参数buf指引的是要发送数据的缓存。因为不希望在函数中对原来的数据做出修改，所以加上了const修饰符。

void i2c_write_bytes(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg, uint8 len, const uint8 *buf) {
    // 总线空闲
    while (1 == i2c->SR2.bits.BUSY);
    // 产生START,进入Master模式
    i2c->CR1.bits.START = 1;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
    // 发送7位地址, 发送模式
    i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_TX;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR_TXE_TRA));
    // 发送寄存器地址
    i2c->DR = reg;
    while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
    // 发送数据
    while (len--) {
        i2c->DR = buf[0];
        while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
        buf++;
    }

    i2c->CR1.bits.STOP = 1;
}

另外，为了使用方便，我们还定义了i2c_read_byte()和i2c_write_byte()两个函数用于读取和发送一个字节的操作。这两个函数都只是对上述两个函数的一个封装而已。

uint8 i2c_read_byte(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg) {
    uint8 data;
    i2c_read_bytes(i2c, addr, reg, 1, &data);
    return data;
}

void i2c_write_byte(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg, uint8 data) {
    i2c_write_bytes(i2c, addr, reg, 1, &data);
}

3.3 硬件I2C驱动MPU6050

MPU6050是一个六轴的IMU传感器，集成了陀螺仪和加速度计，在无人机等智能设备中广泛的应用。这里简单的介绍通过I2C从MPU6050中读取数据，详细的传感器使用参见一个四旋翼的飞控系统系列文章。

STM32F407的引脚PB8和PB9分别对应了I2C1的SCL和SDA，在探索者的开发板上它们挂载了一个MPU6050和一个24C02的EEPROM。在main函数中，我们先调用i2c1_init()对I2C1的外设进行初始化，然后就可以通过函数i2c_read_byte()从传感器中读取数据。这里访问的传感器的0x75的寄存器，它描述了传感器的设备ID。

uint8 gtestdata;
int main(void) {
    usart1_init(115200);
    i2c1_init();

    config_interruts();

    Delay(168000000);

    uint8 id = i2c_read_byte(I2C1, 0x68, 0x75);
    usart1_send_bytes((uint8*)&id, 1);
    while (1) { }
}

我们可以看到在系统复位一段时间后，就可以通过串口发送一个值为0x68的字节，它正是mpu6050的I2C地址。详细参见源码。

4. 总结

STM32的I2C可以工作在主从两种模式下，具体由发送起始信号还是接收到匹配地址来决定。虽然人们一直在说STM32的I2C实现有些问题，但经过测试发现，意法半导体已经解决了这个问题，硬件实现也没有什么毛病。

I2C通信协议以其简单易用、接线少等特点，在嵌入式系统中得到了广泛应用。通过本文的介绍，相信读者已经对I2C通信协议有了全面的了解，并能够基于STM32微控制器实现具体的I2C通信应用。