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前言

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種同步、半雙工的串行通信協議，廣泛用于連接微控制器與傳感器、EEPROM等低速外設。以下是I2C協議的詳細說明及在STM32F103RCT6上的代碼實現。

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1. I2C協議基礎

1.1 物理層特性

兩根信號線

SCL

SCL（Serial Clock）：時鐘線，由主機控制。

SDA

SDA（Serial Data）：數據線，雙向傳輸。

支持多主多從

支持多主多從：通過地址尋址區分設備。

標準模式

1. 100 kHz（低速）
2. 400 kHz（快速模式）
3. 1 MHz（高速模式，STM32F103支持最高400kHz）

電平

電平：開漏輸出（需外接上拉電阻，通常4.7kΩ）。

1.2 通信流程

起始條件（Start Condition）

SCL高電平時，SDA由高→低。

從機地址（Slave Address）

7位地址 + 1位讀寫方向（0:寫，1:讀）。

應答（ACK/NACK）

每傳輸1字節后，接收方**拉低SDA（ACK）**表示成功。

數據傳輸：

主機發送數據或從機返回數據。

停止條件（Stop Condition）

SCL高電平時，SDA由低→高。

1.3 典型通信序列

寫數據

START → 從機地址(寫) → ACK → 寄存器地址 → ACK → 數據 → ACK → STOP

讀數據

START → 從機地址(寫) → ACK → 寄存器地址 → ACK →
START → 從機地址(讀) → ACK → 數據 → NACK → STOP

2. STM32F103RCT6的I2C硬件配置

STM32F103RCT6有2個I2C接口（I2C1、I2C2），支持主/從模式。以下以I2C1（PB6=SCL, PB7=SDA）為例：

2.1 硬件連接

I2C信號 STM32引腳
SCL PB6
SDA PB7
GND 共地
上拉電阻 4.7kΩ至3.3V

2.2 CubeMX配置

啟用I2C1（模式：I2C）。
配置SCL/SDA引腳（PB6/PB7）。
設置時鐘速度（如100kHz）。
啟用中斷（可選，用于事件處理）。

3. HAL庫代碼實現

3.1 I2C初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"I2C_HandleTypeDef hi2c1;void MX_I2C1_Init(void) {hi2c1.Instance = I2C1;hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;          // 100kHzhi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;  // 50%占空比hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;              // 主機模式無需地址hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {Error_Handler();}
}

3.2 基本讀寫函數

(1) 寫入1字節數據

HAL_StatusTypeDef I2C_WriteByte(uint8_t devAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data) {return HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, devAddr, regAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);
}
參數：
devAddr：從機地址（7位，左對齊，如0x68 << 1）。
regAddr：寄存器地址。
data：待寫入數據。

(2) 讀取1字節數據

HAL_StatusTypeDef I2C_ReadByte(uint8_t devAddr, uint8_t regAddr, uint8_t *data) {return HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, devAddr, regAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 1, 100);
}

(3) 連續讀寫

// 寫入多字節
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0x68<<1, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buffer, 4, 100);// 讀取多字節
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buffer, 4, 100);

4. 軟件模擬I2C（GPIO模擬）

如果硬件I2C不可用，可用GPIO模擬：

4.1 初始化GPIO

void I2C_GPIO_Init() {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// SCL=PB6, SDA=PB7GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 開漏輸出GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 初始狀態：SDA和SCL高電平HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
}

4.2 模擬時序函數

// 起始信號
void I2C_Start() {SDA_HIGH();SCL_HIGH();Delay_us(5);SDA_LOW();  // SCL高時SDA拉低Delay_us(5);SCL_LOW();  // 準備數據傳輸
}// 停止信號
void I2C_Stop() {SDA_LOW();SCL_HIGH();Delay_us(5);SDA_HIGH(); // SCL高時SDA拉高Delay_us(5);
}// 發送1字節
void I2C_WriteByte(uint8_t data) {for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {SCL_LOW();if (data & 0x80) SDA_HIGH();else SDA_LOW();Delay_us(2);SCL_HIGH();Delay_us(5);SCL_LOW();data <<= 1;}// 等待ACKSDA_HIGH(); // 釋放SDASCL_HIGH();Delay_us(2);if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_7) { // 檢測ACK// NACK處理}SCL_LOW();
}

5. 常見問題與調試

5.1 I2C通信失敗原因

從機地址錯誤：

確保地址正確（如MPU6050的7位地址是0x68，寫入時左移1位：0x68 << 1）。

上拉電阻未接：

SDA/SCL必須接4.7kΩ上拉電阻。

時序問題：

檢查時鐘速度是否匹配（從機是否支持400kHz？）。

硬件沖突：

確保沒有多個設備同時驅動總線。

5.2 邏輯分析儀抓取波形

使用Saleae或PulseView觀察：

1. 起始/停止條件是否正常？
2. ACK/NACK是否正確？
3. 數據線是否被意外拉低？

6. 完整示例：讀取MPU6050的WHO_AM_I寄存器

uint8_t who_am_i;
if (HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1, 0x75, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &who_am_i, 1, 100) == HAL_OK) {printf("MPU6050 ID: 0x%02X\n", who_am_i); // 正確應返回0x68
}

總結

硬件I2C

硬件I2C：使用HAL庫的HAL_I2C_Mem_Read/Write最方便。

軟件模擬I2C

軟件模擬I2C：靈活但占用CPU資源。

調試關鍵

調試關鍵：檢查地址、上拉電阻、邏輯分析儀波形。
通過上述方法，可穩定實現STM32F103RCT6與I2C設備的通信。

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