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I2C 物理層

兩條信號線：

1. SCL (Serial Clock Line)： 時鐘信號線，連接主設備MCU 和所有從設備Device A, B, C；主設備控制SCL時鐘的生成和頻率。

2. SDA (Serial Data Line)： 數據信號線，與SCL平行，連接主設備和所有從設備；所有的數據（地址、命令、實際數據）都通過這條線在設備間雙向傳輸。

共享總線架構：

1. 多個設備共享物理連接：所有通信通過這兩條線進行，無論MCU與哪個設備通信，都使用SDA和SCL這兩條線；設備通過唯一地址被尋址。

開漏輸出 (Open-Drain)：

每一個連接到SDA或SCL線的點，其輸出驅動器都是一個開漏結構，這意味著：

1. 器件只能主動拉低信號線（將信號導通到GND）。

2. 器件無法主動驅動信號線為高電平，它只能釋放總線（關閉MOS管），讓信號線自然上浮。

上拉電阻 (Pull-up Resistors)：

由于總線上所有設備都使用開漏輸出，它們無法主動輸出高電平，上拉電阻為總線提供高電平。

1. 當所有設備都不主動拉低總線時，上拉電阻會將SDA和SCL線拉至高電平 ≈Vcc，這是總線的空閑狀態（Idle State）。

2. 當某個設備需要發送低電平時，它只需激活其開漏輸出，將總線拉低到GND 0V，上拉電阻限制了此時流過該MOS管的電流。

I2C 協議層

1. 數據有效性

1. SCL 高電平期間：要求數據穩定，接收端設備是在SCL時鐘的上升沿或其前后很短時間窗內對SDA線上的數據進行采樣讀取的，此時數據必須穩定，才能確保接收方采樣到正確無誤的值。

2. SCL 低電平期間：允許數據變化，此時SCL為低，所有設備都知道當前不是采樣時刻，發送端可以切換電平來設置下一個比特（0或1）。

2. 起始和停止信號

1. ?起始信號 (Start Condition - S)：當 SCL 線處于穩定的 高電平 狀態時，SDA 線發生一個從 高電平 到 低電平 的下降沿跳變。

2. 終止信號 (Stop Condition - P)：當 SCL 線處于穩定的 高電平 狀態時，SDA 線發生一個從 低電平 到 高電平 的上升沿跳變。?

3. 應答響應

每當發送器件傳輸完一個字節的數據后，后面必須緊跟一個校驗位，這個校驗位是接收端通過控制SDA（數據線）來實現的，以提醒發送端數據我這邊已經接收完成，數據傳送可以繼續進行。這個校驗位其實就是數據或地址傳輸過程中的響應。

響應包括 應答(ACK) 和 非應答(NACK) 兩種信號。

作為數據接收端時，當設備(無論主從機)接收到I2C傳輸的一個字節數據或地址后，若希望對方繼續發送數據，則需要向對方發送 應答(ACK) 信號即低電平脈沖，發送方會繼續發送下一個數據；若接收端希望結束數據傳輸，則向對方發送 非應答(NACK) 信號即高電平脈沖，發送方接收到該信號后會產生一個停止信號，結束信號傳輸。

每一個字節必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。

4. 總線的尋址方式

D7～D1位組成從機的地址。D0位是數據傳送方向位，為 0 時表示主機向從機寫數據，為 1 時表示主機由從機讀數據。

當主機發送了一個地址后，總線上的每個器件都將頭7位與它自己的地址比較，如果一樣，器件會判定它被主機尋址，其他地址不同的器件將被忽略后面的數據信號。至于是從機接收器還是從機發送器，都由R/W位決定。

5. 數據傳輸

I2C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/W），用“0”表示主機發送（寫）數據（W），“1”表示主機接收數據（R）。每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址。

5.1 主機向從機發送數據

IIC主機向從機寫數據的過程為：主機先發起始信號S，接著發送含寫標志位（0）的從機地址，若從機回應答A ，主機持續發送數據幀（每幀后從機應答A ）；最后一幀數據發送后，從機回A / $\overline{A}$ ，主機再發終止信號P ，完成寫操作。

5.2 主機由從機中讀數據

IIC主機從從機讀數據的過程為：主機先發起始信號S，接著發送含讀標志位（1）的從機地址，從機回應答A后，從機開始發送數據幀；主機對中間數據幀回應答A ，最后一幀數據傳輸時主機回非應答$\overline{\mathbf{A}}$ ，隨后主機發送終止信號P ，完成讀數據操作。

5.3 I2C通信復合格式

IIC 傳送過程中需改變方向時，主機先按初始方向（如寫，方向位為 0 ）發起始信號 S 、發送從機地址 + 方向位，完成該方向數據傳輸；隨后重發起始信號 S ，再次發送同一從機地址，且讀 / 寫方向位與初始方向反相（如改為讀，方向位為 1 ），從而實現傳送方向切換，繼續后續數據交互。

I2C 驅動編寫

我們使用的是軟件模擬I2C，所以在配置管腳輸出類型時，選擇推挽輸出即可，如果配置為開漏輸出也是可以的，但是需要引腳外接上拉電阻。

1. 配置 SCL 和 SDA

使用PB8作為SCL，PB9作為SDA

iic.h

#ifndef _IIC_H
#define _IIC_H#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdint.h>// =====================================================
// SCL時鐘線配置
#define IIC_SCL_PORT        GPIOB       // SCL端口
#define IIC_SCL_PIN         GPIO_PIN_8  // SCL引腳// SDA數據線配置
#define IIC_SDA_PORT        GPIOB       // SDA端口
#define IIC_SDA_PIN         GPIO_PIN_9  // SDA引腳
// =====================================================// IO操作宏
#define IIC_SCL_HIGH()      HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)      // SCL置高
#define IIC_SCL_LOW()       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)    // SCL置低
#define IIC_SDA_HIGH()      HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)      // SDA置高
#define IIC_SDA_LOW()       HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)    // SDA置低
#define READ_SDA()          HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)                     // 讀取SDA狀態// 時序參數宏：定義IIC通信時序延遲（單位：微秒）
#define IIC_DELAY()         delay_us(2)  // 標準時序延遲（適用于數據位變化）
#define IIC_START_DELAY()   delay_us(5)  // 起始/停止信號額外延遲（確保信號穩定）#endif

iic.c

#include "iic.h"
#include "SysTick.h"  // 確保包含延時函數頭文件static void SDA_OUT(void);  // 配置SDA為輸出模式
static void SDA_IN(void);   // 配置SDA為輸入模式/*** @brief  IIC總線初始化* @note   配置SCL和SDA引腳為推挽輸出模式，并釋放總線*/
void IIC_Init(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// 使能GPIOB時鐘__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();// 配置SCL和SDA引腳GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_PIN | IIC_SDA_PIN;  // 同時配置兩個引腳GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;       // 推挽輸出模式GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;               // 內部上拉（確保總線空閑時為高電平）GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;     // 高速模式HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 初始狀態：總線釋放（SCL和SDA均為高電平）IIC_SDA_HIGH();IIC_SCL_HIGH();
}/*** @brief  配置SDA為輸出模式* @note   在主機需要控制SDA線時調用（發送數據/地址時）*/
static void SDA_OUT(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {.Pin = IIC_SDA_PIN,.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP,   // 推挽輸出.Pull = GPIO_PULLUP,           // 上拉電阻使能.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH  // 高速模式};HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}/*** @brief  配置SDA為輸入模式* @note   在主機需要讀取SDA線時調用（接收數據/ACK時）*/
static void SDA_IN(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {.Pin = IIC_SDA_PIN,.Mode = GPIO_MODE_INPUT,       // 輸入模式.Pull = GPIO_PULLUP,           // 上拉電阻使能.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH  // 高速模式};HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2. I2C起始信號和停止信號

/*** @brief  產生IIC起始信號* @note   時序：SCL高電平時，SDA從高變低*/
void IIC_Start(void) {SDA_OUT();          // 確保SDA為輸出模式IIC_SDA_HIGH();     // SDA置高IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高IIC_START_DELAY();  // 保持起始條件建立時間IIC_SDA_LOW();      // START信號：SCL高時SDA從高變低IIC_DELAY();        // 保持SDA低電平時間IIC_SCL_LOW();      // 鉗住總線，準備發送數據
}/*** @brief  產生IIC停止信號* @note   時序：SCL高電平時，SDA從低變高*/
void IIC_Stop(void) {SDA_OUT();          // 確保SDA為輸出模式IIC_SCL_LOW();      // 確保SCL為低（數據穩定期）IIC_SDA_LOW();      // SDA置低（準備停止信號）IIC_DELAY();        // 延遲IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高IIC_START_DELAY();  // 保持停止條件建立時間IIC_SDA_HIGH();     // STOP信號：SCL高時SDA從低變高IIC_DELAY();        // 確保總線釋放
}

3. 等待從設備應答

/*** @brief  等待從設備應答* @retval 0: 收到ACK應答*         1: 未收到ACK（超時）*/
uint8_t IIC_Wait_Ack(void) {uint8_t wait_time = 0;SDA_IN();           // 配置SDA為輸入模式IIC_SDA_HIGH();     // 釋放SDA線（由上拉電阻拉高）IIC_DELAY();        // 短暫延時IIC_SCL_HIGH();     // 主機拉高SCL，從機應在此時拉低SDAIIC_DELAY();        // 等待從機響應// 檢測SDA是否為低電平（ACK信號）while(READ_SDA() == GPIO_PIN_SET) {if(++wait_time > 250) {   // 超時檢測（約500us）IIC_Stop();           // 終止通信return 1;             // 超時失敗}delay_us(2);              // 微小延時避免忙等}IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，結束ACK檢測return 0;           // 成功收到ACK
}

4. 主機發送ACK和NACK信號

/*** @brief  產生ACK應答信號* @note   主機在接收數據后發送ACK（繼續接收）*/
void IIC_Ack(void) {IIC_SCL_LOW();      // SCL置低（數據變化期）SDA_OUT();          // 控制SDA線IIC_SDA_LOW();      // SDA置低（ACK信號）IIC_DELAY();        // 數據建立時間IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高（ACK有效）IIC_DELAY();        // 保持ACK時間IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，結束ACK
}/*** @brief  產生NACK非應答信號* @note   主機在接收數據后發送NACK（結束接收）*/
void IIC_NAck(void) {IIC_SCL_LOW();      // SCL置低（數據變化期）SDA_OUT();          // 控制SDA線IIC_SDA_HIGH();     // SDA置高（NACK信號）IIC_DELAY();        // 數據建立時間IIC_SCL_HIGH();     // SCL置高（NACK有效）IIC_DELAY();        // 保持NACK時間IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，結束NACK
}

5. 發送一個Byte

/*** @brief  IIC發送一個字節* @param  txd: 要發送的字節數據* @note   高位先發，每個時鐘周期發送1位*/
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd) {SDA_OUT();          // 確保SDA為輸出模式IIC_SCL_LOW();      // SCL置低，開始數據傳輸// 循環發送8位數據（MSB first）for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {// 根據數據最高位設置SDA(txd & 0x80) ? IIC_SDA_HIGH() : IIC_SDA_LOW();txd <<= 1;      // 左移準備下一位IIC_DELAY();    // 數據建立時間IIC_SCL_HIGH(); // 產生上升沿，從機采樣數據IIC_DELAY();    // 保持高電平時間IIC_SCL_LOW();  // 產生下降沿，準備下一位IIC_DELAY();    // 數據保持時間}
}

6. 接收一個Byte

/*** @brief  IIC讀取一個字節* @param  ack: 是否發送應答（1=ACK, 0=NACK）* @retval 讀取到的字節數據* @note   高位先收，每個時鐘周期讀取1位*/
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack) {uint8_t receive = 0;SDA_IN();           // 配置SDA為輸入模式// 循環讀取8位數據（MSB first）for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {IIC_SCL_LOW();  // 確保SCL為低（數據變化期）IIC_DELAY();    // 從機準備數據時間IIC_SCL_HIGH(); // 產生上升沿，主機采樣數據receive <<= 1;  // 左移接收寄存器if(READ_SDA()) receive |= 0x01; // 讀取SDA狀態并存儲IIC_DELAY();    // 保持高電平時間}// 根據參數發送ACK/NACKack ? IIC_Ack() : IIC_NAck();return receive;
}

7. 函數聲明

// IIC操作函數聲明
// =====================================================
void IIC_Init(void);                // IIC總線初始化
void IIC_Start(void);               // 發送IIC起始信號
void IIC_Stop(void);                // 發送IIC停止信號
void IIC_Send_Byte(uint8_t txd);    // IIC發送一個字節
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t ack); // IIC讀取一個字節（ack=1發送ACK，ack=0發送NACK）
uint8_t IIC_Wait_Ack(void);         // 等待從設備應答（0=成功，1=失敗）
void IIC_Ack(void);                 // 發送ACK應答信號
void IIC_NAck(void);                // 發送NACK非應答信號
// =====================================================

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