I2C 总线通信

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种半双工、同步、多主从的串行通信总线。它只需要两根线就可以连接多个设备，广泛应用于传感器、EEPROM、OLED 显示屏等模块。

I2C 物理层

I2C 总线由两条开漏输出线组成：

SCL：串行时钟线，由主机产生时钟信号。
SDA：串行数据线，用于传输数据。

由于两条线都是开漏输出，所以必须外接上拉电阻。多个设备的 SCL 和 SDA 分别连接在一起，通过唯一的 7 位或 10 位地址区分不同的从机。

为什么用开漏输出

开漏输出配合上拉电阻可以实现“线与”逻辑：

只要有一个设备把 SDA 拉低，总线就是低电平。
只有当所有设备都释放 SDA，总线才被上拉电阻拉到高电平。

这一特性使得 I2C 支持多主设备和总线仲裁。

I2C 通信过程

一次完整的 I2C 通信包含四个阶段：起始位、寻址、数据传输、停止位。

起始位

当 SCL 为高电平时，SDA 从高电平跳变为低电平，表示通信开始。

text

SCL:  ____
SDA:      \___

寻址

起始位之后，主机发送 7 位从机地址和 1 位方向位：

R/W# = 0：写操作，主机向从机发送数据。
R/W# = 1：读操作，主机从从机接收数据。

发送完地址和方向位后，主机释放 SDA，从机在第九个时钟周期拉低 SDA 表示应答（ACK）。如果从机不应答（NAK），说明寻址失败或从机不存在。

数据传输

每个字节 8 位，先传最高位（MSB）。
每发送完一个字节，接收方都要回复一个应答位。
写操作时，主机发送数据，从机应答。
读操作时，从机发送数据，主机应答；主机想结束读取时，发送 NAK。

停止位

当 SCL 为高电平时，SDA 从低电平跳变为高电平，表示通信结束。

text

SCL:  ____
SDA:  ___/

HAL 库 I2C 常用函数

向从机发送数据

HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c,
                        uint16_t DevAddress,
                        uint8_t *pData,
                        uint16_t Size,
                        uint32_t Timeout);

示例：向地址为 0x50 的 EEPROM 发送 1 字节数据。

uint8_t data[] = {0x00, 0xAB};  // 寄存器地址 + 数据
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x50 << 1, data, 2, 1000);

从从机接收数据

HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c,
                       uint16_t DevAddress,
                       uint8_t *pData,
                       uint16_t Size,
                       uint32_t Timeout);

示例：

uint8_t reg = 0x00;
uint8_t rxBuf[4];

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x50 << 1, &reg, 1, 1000);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x50 << 1, rxBuf, 4, 1000);

写入指定寄存器

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0x50 << 1, 0x00,
                  I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, txBuf, len, 1000);

读取指定寄存器

HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x50 << 1, 0x00,
                 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, rxBuf, len, 1000);

I2C 地址

HAL 库的 I2C 地址参数需要传入 8 位地址，即把 7 位从机地址左移 1 位，最低位由 HAL 自动根据读写方向填充。

例如从机 7 位地址是 0x50，则传入参数为 0x50 << 1 = 0xA0。

读写 OLED 示例

SSD1306 是常见的 I2C 接口 OLED 驱动芯片，默认地址为 0x3C。

写命令

void OLED_WriteCommand(uint8_t cmd)
{
    uint8_t data[2] = {0x00, cmd};  // 0x00 表示命令
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x3C << 1, data, 2, 1000);
}

写数据

void OLED_WriteData(uint8_t dat)
{
    uint8_t data[2] = {0x40, dat};  // 0x40 表示数据
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x3C << 1, data, 2, 1000);
}

实战案例

I2C 发送命令并读取从机状态

I2CTest 项目演示了如何通过 I2C 向从机发送初始化命令，然后读取从机返回的状态字节，并根据状态位控制 LED。

本例中从机地址为 0x78，即 7 位地址 0x3C 左移 1 位后的写地址，常用于 SSD1306 OLED 显示屏。

uint8_t commands[] = {0x00, 0x8d, 0x14, 0xaf, 0xa5};
uint8_t dataRcvd;

// 发送 5 字节命令
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x78, commands,
                        sizeof(commands) / sizeof(commands[0]), HAL_MAX_DELAY);

// 读取 1 字节状态
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x78, &dataRcvd, 1, HAL_MAX_DELAY);

if ((dataRcvd & (0x01 << 6)) == 0) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // 熄灭 LED
}
else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮 LED
}

I2C1 的配置如下：

hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000;                 // 400 kHz 快速模式
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
HAL_I2C_Init(&hi2c1);

TIP

实际驱动 SSD1306 等 OLED 时，通常需要连续写入大量显存数据。对于大段数据写入，建议使用 HAL_I2C_Mem_Write 或 DMA 方式，减少 CPU 占用。

常见问题

通信失败，从机无应答

I2C 地址错误，注意 7 位地址和 8 位地址的区别。
上拉电阻未接或阻值不合适，一般使用 4.7kΩ。
从机未上电或复位。
SCL/SDA 引脚配置错误，应为开漏复用输出。

数据错位或乱码

通信速率过高，超过从机支持范围。
数据线受到干扰，可适当降低 I2C 速度或改善布线。

本章小结

I2C 只需要两根线就可以连接多个从机，是嵌入式系统中节省引脚的理想选择。理解起始位、寻址、应答、停止位等协议细节，掌握 HAL_I2C_Master_Transmit、HAL_I2C_Master_Receive、HAL_I2C_Mem_Write、HAL_I2C_Mem_Read 等函数，就能驱动大多数 I2C 设备。

I2C 总线通信 ​

I2C 物理层 ​

为什么用开漏输出 ​

I2C 通信过程 ​

起始位 ​

寻址 ​

数据传输 ​

停止位 ​

HAL 库 I2C 常用函数 ​

向从机发送数据 ​

从从机接收数据 ​

写入指定寄存器 ​

读取指定寄存器 ​

I2C 地址 ​

读写 OLED 示例 ​

写命令 ​

写数据 ​

实战案例 ​

I2C 发送命令并读取从机状态 ​

常见问题 ​

通信失败，从机无应答 ​

数据错位或乱码 ​

本章小结 ​