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嵌入式之常用通信协议-I²C

创作时间:

作者:

@小白创作中心

嵌入式之常用通信协议-I²C

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/weixin_65365693/article/details/145703188

I²C（Inter-Integrated Circuit，IIC）是一种广泛使用的同步、半双工、串行通信协议，由飞利浦（现恩智浦）在1980年代提出，主要用于连接低速外设。

物理层特性

信号线

SDA（Serial Data Line）：双向数据线，通过开漏输出（Open-Drain）实现，需外接上拉电阻。
SCL（Serial Clock Line）：单向时钟线，由主设备控制，同样需上拉电阻。
总线空闲状态：SDA 和 SCL 均被上拉电阻拉高（高电平）。

电气特性

开漏结构：允许多个设备共享总线，任一设备拉低总线即可实现“线与”逻辑。
上拉电阻：典型值 4.7kΩ（具体值由总线电容和速度决定）。
电压范围：支持 3.3V 或 5V 系统，不同电压设备需电平转换。

总线拓扑

总线型结构：所有设备并联在总线上，通过地址寻址。
设备数量限制：由总线电容决定（通常 <400pF，高速模式下更严格）。

硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
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
避免总线没协调好导致电源短路问题--一个输出高一个输出低相连电源短路---->禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构

协议层详解

1. 数据帧格式

I²C 的通信以数据帧为单位，每帧包含以下部分：

起始条件（Start Condition）：SCL 为高电平时，SDA 由高→低跳变。
从机地址（Slave Address）：7位或10位地址 + 1位读写方向位（0: 主写，1: 主读）。
应答位（ACK/NACK）：每传输8位数据后，接收方需在第9个时钟周期拉低 SDA（ACK）或保持高（NACK）。
数据段（Data Byte）：每次传输1字节（8位），高位（MSB）先发。
停止条件（Stop Condition）：SCL 为高电平时，SDA 由低→高跳变。

完整帧示例（主设备向从设备写数据）：

[Start] + [7位地址 + 0（写）] + [ACK] + [数据字节1] + [ACK] + ... + [数据字节N] + [ACK/NACK] + [Stop]

2. 地址机制

7位地址模式：
支持 112 个设备（保留 16 个地址为特殊用途）。
地址范围：0x08 ~ 0x77（部分地址已被标准设备占用，如 EEPROM 常用 0x50）。
10位地址模式：
首字节前5位为11110，后2位为地址高位，次字节为地址低位。
支持更多设备，但实际应用较少。

3. 传输模式

主写模式（Master Transmitter）：主设备向从设备发送数据。
主读模式（Master Receiver）：主设备从从设备读取数据。
复合传输（Combined Format）：在一次通信中切换读写方向（需重复起始条件）。

4. 时钟同步与仲裁

时钟同步：多个主设备时，SCL 通过“线与”实现同步（低电平最长的设备主导）。
仲裁机制：
主设备在发送数据时持续监测 SDA 线。
若检测到总线状态与自身发送的数据不一致，则立即退出竞争（丢失仲裁）。
仲裁失败的主设备转为从模式，等待总线空闲后重试。

5. 软件时序

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
起始和终止都由主机产生
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
流程：主机拉低SCL，把数据放在SDA上；主机松开SCL，从机读取SDA的数据；在SCL的同步下，依次进行主机发送和从机接收（松开，回弹高电平）
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）

I2C时序逻辑：

起始条件（Start Condition）：

起始条件是SCL为高电平时，SDA由高电平切换到低电平。
在起始条件形成后，总线上的其他设备应该等待新的起始条件出现。

地址传递（Address Transmission）：

每个I2C通信开始时，主设备将目标从设备的地址发送到总线上。
地址的最高位是起始位，接着是7位或10位的地址信息，最后是一个读/写位，指示是读操作还是写操作。

读/写位（Read/Write Bit）：

主设备发送一个位，指示接下来是读操作还是写操作。
0表示写，1表示读。

应答位（Acknowledge Bit）：

在每个8位数据字节的传输后，接收方发送一个应答位。
如果接收到的数据正确，应答位是低电平；如果出现错误或者接收方不准备接收下一个字节，应答位是高电平。

数据传输（Data Transmission）：

数据的传输在SCL的每个上升边沿完成。
数据线的状态（高或低）在SCL上升边沿时被稳定。

停止条件（Stop Condition）：

停止条件是SCL为高电平时，SDA由低电平切换到高电平。
在停止条件形成后，总线上的其他设备可以开始下一个通信过程。

重复起始条件（Repeated Start Condition）：

通过在没有形成停止条件的情况下再次发送起始条件，可以在不释放总线的情况下启动新的通信过程。
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）

关键时序参数

I²C 的速度由主设备时钟频率决定，不同模式对应不同速率：

模式	最大速率	应用场景
标准模式	100 kHz	通用低速设备（传感器等）
快速模式	400 kHz	中速需求（如 OLED 屏）
高速模式	3.4 MHz	高速存储器
超快模式	5 MHz	特定设备（需硬件支持）

时序要求示例（标准模式）：

起始条件保持时间：>4.7 μs
数据保持时间：>0 μs（需在 SCL 上升沿前稳定）
停止条件建立时间：>4.0 μs

实际应用注意事项

1. 硬件设计要点

上拉电阻选择：
计算公式：
典型值：3.3V 系统用 4.7kΩ，5V 系统用 2.2kΩ。
总线电容控制：
总电容过大导致上升沿变缓，需降低上拉电阻或使用缓冲器。

2. 软件实现关键

起始/停止条件：需严格满足时序（尤其是在无硬件I²C控制器时用GPIO模拟）。
超时处理：防止总线死锁（例如从设备故障未返回ACK）。
多主竞争：主设备需实现仲裁逻辑（通常由硬件自动处理）。

3. 调试技巧

逻辑分析仪：捕获 SDA/SCL 波形，检查起始/停止条件、地址和数据。
示波器：观察总线电平上升时间是否合规。
软件调试：打印 I²C 寄存器状态（如 NACK 错误标志）。

常见问题与解决方案

总线死锁

现象：SDA 或 SCL 被意外拉低，总线无法恢复。
解决：
发送额外时钟脉冲（手动切换SCL 9次）。
硬件复位或重新上电。

地址冲突

现象：多个从设备使用相同地址。
解决：
选择支持地址配置的芯片（如 EEPROM 通过引脚设置地址）。
使用 I²C 多路复用器（如 PCA9548）。

长距离通信不稳定

现象：数据错误或丢失。
解决：
降低总线速度（如从 400kHz 降至 100kHz）。
使用 I²C 缓冲器（如 P82B715）增强驱动能力。

代码示例（Arduino）

// 主设备读取从设备（地址0x50）的1字节数据
#include <Wire.h>
void setup() {
  Wire.begin(); // 初始化I²C为主设备
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  Wire.requestFrom(0x50, 1); // 向从设备0x50请求1字节数据
  while (Wire.available()) {
    byte data = Wire.read(); // 读取数据
    Serial.print("Received: ");
    Serial.println(data, HEX);
  }
  delay(1000);
}