前言

在嵌入式系統中，設備間的短距離通信協議中，I2C（Inter-Integrated Circuit，集成電路互連）以其信號線少、布線簡單、支持多從機等特點，被廣泛應用于傳感器、EEPROM、OLED屏等中低速外設的通信場景。與SPI的高速全雙工和UART的異步簡單相比，I2C僅需2根線即可實現多設備間的半雙工通信，在資源受限的嵌入式系統中極具優勢。

本文將從I2C協議基礎出發，系統解析STM32 I2C外設的工作原理、硬件設計要點、軟件配置流程及實戰案例，涵蓋寄存器級編程、HAL庫應用、中斷與DMA傳輸等核心內容，并提供詳細的調試技巧與常見問題解決方案，旨在幫助嵌入式開發者全面掌握STM32中I2C的應用。

一、I2C協議基礎

1.1 什么是I2C？

I2C是一種由飛利浦（現恩智浦）公司開發的同步串行通信協議，主要用于短距離、低速設備間的通信（通常速率≤400kbps，高速模式可達3.4Mbps）。其核心特點包括：

• 雙線通信：僅需SCL（Serial Clock，串行時鐘）和SDA（Serial Data，串行數據）兩根信號線；
• 多從機支持：通過7位或10位地址區分從機，總線上可連接多個從機（理論上最多127個7位地址設備）；
• 主從式架構：通信由主機（如STM32）發起，從機（如傳感器）被動響應，主機負責產生時鐘信號；
• 半雙工通信：同一時刻只能發送或接收數據，通過SDA線雙向傳輸。

1.2 I2C信號線組成

I2C通信僅需兩根信號線，所有設備的SCL和SDA線并聯連接：

信號線	功能描述
SCL	時鐘線，由主機產生，用于同步數據傳輸（高低電平切換的頻率決定通信速率）。
SDA	數據線，雙向傳輸數據，主機和從機通過該線發送或接收數據（需開漏輸出+上拉電阻）。

關鍵特性：

• SDA和SCL均需通過上拉電阻（通常4.7kΩ~10kΩ）接電源（如3.3V），確保空閑時為高電平；
• 信號線采用開漏輸出（或集電極開路），支持“線與”邏輯（多個設備同時拉低時，總線為低電平；僅當所有設備釋放時，總線才為高電平）。
  

1.3 I2C通信速率

I2C定義了三種主要通信速率（不同版本協議略有差異）：

• 標準模式（Standard-mode）：100kbps（最常用）；
• 快速模式（Fast-mode）：400kbps；
• 高速模式（Fast-mode Plus）：1Mbps（部分設備支持）；
• 超高速模式（High-speed mode）：3.4Mbps（高端設備支持）。

注意：總線上所有設備的最高支持速率必須≥主機使用的速率，否則需以最低速率通信（如主機支持400kbps，但某從機僅支持100kbps，則總線速率需設為100kbps）。

1.4 I2C核心時序信號

I2C協議通過特定的時序信號定義通信的開始、結束、數據傳輸和應答，是協議理解的核心。

1.4.1 起始位（S）與停止位（P）

• 起始位（S）：當SCL為高電平時，SDA從高電平跳變為低電平（下降沿），標志一次通信的開始；
• 停止位（P）：當SCL為高電平時，SDA從低電平跳變為高電平（上升沿），標志一次通信的結束。

（示意圖：SCL高電平時，SDA下降沿為起始位，上升沿為停止位）

1.4.2 數據傳輸時序

• 數據以8位為一幀，高位在前（MSB），低位在后（LSB）；
• 每傳輸1位數據，SCL需有一個高電平脈沖（數據在SCL高電平時保持穩定，避免信號跳變導致誤讀）；
• 8位數據傳輸完成后，緊跟一個應答位（ACK）或非應答位（NACK）。

1.4.3 應答信號（ACK/NACK）

• 應答位（ACK）：接收方在第9個SCL時鐘周期內將SDA拉低，表示成功接收數據；
• 非應答位（NACK）：接收方在第9個SCL時鐘周期內讓SDA保持高電平，表示未接收數據（如數據錯誤、從機忙等）。

規則：

• 主機發送數據時，由從機產生ACK/NACK；
• 主機接收數據時，由主機產生ACK/NACK（除最后一個字節，通常用NACK表示接收結束）。

1.5 I2C通信幀結構

一次完整的I2C通信由“起始位→地址幀→數據幀→停止位”組成，根據方向（讀/寫）不同，幀結構略有差異。

1.5.1 主機向從機寫數據（寫操作）

幀結構：S → [從機地址+W] → ACK → [數據1] → ACK → [數據2] → ACK → ... → P

• S：起始位；
• [從機地址+W]：7位從機地址+1位寫標志（0），共8位；
• ACK：從機應答；
• [數據n]：主機發送的n字節數據；
• P：停止位。

1.5.2 主機從從機讀數據（讀操作）

幀結構：S → [從機地址+R] → ACK → [數據1] → ACK → [數據2] → ACK → ... → [數據n] → NACK → P

• [從機地址+R]：7位從機地址+1位讀標志（1），共8位；
• 最后一個數據字節后，主機發送NACK，表示不再接收數據，隨后發送停止位。

1.5.3 復合操作（先寫后讀，如讀指定寄存器）

部分從機（如EEPROM、傳感器）需先寫入寄存器地址，再讀取數據，幀結構為：
S → [從機地址+W] → ACK → [寄存器地址] → ACK → S → [從機地址+R] → ACK → [數據] → NACK → P

• 中間的S為“重復起始位”（Repeated Start），用于連續通信而不釋放總線。

1.6 I2C地址機制

I2C通過地址區分總線上的從機，地址長度有兩種：

• 7位地址：最常用，范圍0_{127（其中0為廣播地址，1}127為有效地址）；
• 10位地址：擴展地址，支持更多從機（僅部分設備支持）。

地址映射：從機地址由硬件引腳和固定地址組成，例如EEPROM AT24C02的固定地址為0xA0，其A0/A1/A2引腳接高/低電平可配置低3位地址（如A0=0、A1=0、A2=0時，地址為0xA0）。

二、STM32 I2C外設詳解

STM32系列芯片（如F1、F4、H7等）普遍集成多個I2C外設（如F103有2個I2C，F407有3個I2C），支持主機模式、從機模式及多種高級特性。

2.1 I2C外設主要特性

以STM32F103（中低端型號）為例，其I2C外設核心特性如下：

• 支持主機模式和從機模式；
• 支持7位和10位地址；
• 支持標準模式（100kbps）和快速模式（400kbps）；
• 支持軟件或硬件應答控制；
• 支持中斷和DMA傳輸（減少CPU占用）；
• 支持 SMBus（系統管理總線）協議（兼容I2C）；
• 內置仲裁和時鐘同步機制（多主機場景）；
• 支持數據校驗和錯誤檢測（如應答錯誤、仲裁丟失）。

高端型號（如F4、H7）的I2C外設性能更強，例如F407支持快速模式Plus（1Mbps），H7系列支持超時檢測和更多錯誤處理機制。

2.2 引腳映射

I2C外設的SCL/SDA引腳通過復用功能配置，不同型號的映射不同。以STM32F103C8T6為例，I2C1的默認引腳為：

• SCL：PB6（復用開漏輸出）；
• SDA：PB7（復用開漏輸出）。

若默認引腳被占用，可通過重映射功能切換（如I2C1可重映射到PB8/PB9），配置時需：

• 使能AFIO時鐘（RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN）；
• 通過AFIO重映射寄存器（AFIO->MAPR）配置映射關系。

2.3 時鐘源與速率計算

I2C的時鐘源來自APB1總線（所有I2C外設均掛載APB1）：

• STM32F103的APB1時鐘最高36MHz；
• 速率計算公式：I2C時鐘頻率 = APB1時鐘頻率 / (16 + 2*CCR*TRISE)
  其中：
  • CCR（時鐘控制寄存器）：配置分頻系數，決定SCL高/低電平時間；
  • TRISE（上升時間寄存器）：配置SDA/SCL信號的上升時間（與速率相關）。

示例：標準模式（100kbps）配置（APB1=36MHz）：

• TRISE = 36 + 1 = 37（標準模式下，TRISE=APB1時鐘頻率(MHz) + 1）；
• CCR = 36000000 / (2 * 100000 * 2) = 90（標準模式下，高/低電平時間相等，總周期=1/100000=10μs，故高電平時間=5μs，CCR=5μs/(1/36MHz)=180？此處需根據手冊精確計算，不同模式公式略有差異）。

2.4 核心寄存器解析

STM32 I2C的配置與操作通過以下核心寄存器實現（以F103為例）：

2.4.1 控制寄存器1（I2C_CR1）

位段	功能描述
PE[0]	外設使能：1=使能I2C；0=禁用（配置前需禁用）。
ACK[10]	應答使能：1=使能應答（接收數據后自動產生ACK）；0=禁用（產生NACK）。
START[8]	起始位生成：1=產生起始位（自動清0）。
STOP[9]	停止位生成：1=產生停止位（自動清0）。
ITEVTEN[14]	事件中斷使能：1=使能事件中斷（如起始位發送、地址匹配等）。
ITBUFEN[15]	緩沖區中斷使能：1=使能數據緩沖區中斷（如TXE、RXNE）。

2.4.2 控制寄存器2（I2C_CR2）

位段	功能描述
FREQ[5:0]	外設輸入時鐘頻率：配置APB1時鐘頻率（單位MHz，如36MHz則設為0x24）。
DMAEN[11]	DMA請求使能：1=使能DMA傳輸。

2.4.3 時鐘控制寄存器（I2C_CCR）

位段	功能描述
F/S[15]	模式選擇：0=標準模式（100kbps）；1=快速模式（400kbps）。
CCR[11:0]	時鐘控制：決定SCL線的高/低電平時間（與速率相關）。

2.4.4 狀態寄存器1（I2C_SR1）

位段	功能描述
SB[0]	起始位發送完成：1=起始位已發送（僅主機模式）。
ADDR[1]	地址發送完成：1=地址幀已發送且收到ACK（需結合SR2的ADDR位確認）。
TXE[7]	發送數據寄存器空：1=DR寄存器為空（可寫入下一字節）。
RXNE[6]	接收數據寄存器非空：1=DR寄存器有數據（可讀取）。
BTF[2]	字節傳輸完成：1=數據傳輸完成（最后一字節已發送/接收）。
AF[4]	應答失敗：1=接收方未產生ACK（需軟件清0）。

2.4.5 數據寄存器（I2C_DR）

• 8位寄存器，發送時寫入數據，接收時讀取數據；
• 寫入DR會觸發數據發送，讀取DR會清除RXNE標志。

三、I2C硬件設計要點

I2C硬件設計的核心是確保總線信號穩定，避免噪聲干擾和電平不匹配，以下是關鍵設計要點：

3.1 上拉電阻選擇

SDA和SCL線必須通過上拉電阻接電源，電阻值選擇需考慮：

• 推薦值：4.7kΩ~10kΩ（標準模式常用4.7kΩ，快速模式可減小至2.2kΩ）；
• 總線上設備數量：設備越多，負載電容越大，需減小電阻值（但不宜過小，避免電流過大）；
• 電源電壓：3.3V系統常用4.7kΩ，5V系統可選用10kΩ。

布局建議：上拉電阻盡量靠近I2C主機，縮短信號線到電源的路徑，減少噪聲。

3.2 信號線布局

• 長度限制：標準模式下，信號線長度建議≤1米；快速模式下≤0.5米，過長會導致信號延遲和反射；
• 走線規范：SDA和SCL線應平行走線，長度盡可能一致，避免交叉或靠近高速信號線（如SPI的SCK、電機驅動線）；
• 接地處理：信號線下方鋪地平面，增強抗干擾能力；總線上所有設備需共地，避免地電位差。

3.3 電平匹配

若總線上存在不同電平的設備（如3.3V的STM32和5V的EEPROM），需進行電平轉換：

• 方案1：使用專用電平轉換芯片（如PCA9306），支持雙向電平轉換；
• 方案2：利用開漏輸出特性，將3.3V設備的SDA/SCL通過上拉電阻接5V（需確保3.3V設備的GPIO容忍5V輸入）。

3.4 多從機地址沖突處理

當多個從機的默認地址沖突時，可通過硬件引腳修改從機地址：

• 多數從機（如AT24C02、SHT30）提供地址配置引腳（如A0/A1/A2），通過接高/低電平改變地址的低幾位；
• 例如：AT24C02的固定地址為0xA0，A0引腳接GND時地址為0xA0，接VCC時為0xA2。

四、I2C軟件配置步驟

本節以STM32F103為主機，實現與從機的I2C通信，分別介紹寄存器級和HAL庫的配置方法，以“標準模式（100kbps）、7位地址、主機模式”為基礎配置。

4.1 寄存器級配置（I2C1，100kbps）

步驟1：使能時鐘

// 使能GPIOB、I2C1和AFIO時鐘
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;

步驟2：配置GPIO引腳（開漏復用輸出）

// 配置PB6（SCL）和PB7（SDA）為復用開漏輸出
GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE6 | GPIO_CRL_CNF6);
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_MODE6_1;  // 輸出速率2MHz（低速，I2C無需高速）
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_1;   // 復用開漏輸出GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE7 | GPIO_CRL_CNF7);
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_MODE7_1;  // 輸出速率2MHz
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF7_1;   // 復用開漏輸出

步驟3：配置I2C1參數（標準模式100kbps）

// 禁用I2C1（配置前必須禁用）
I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE;// 配置CR2：APB1時鐘36MHz（0x24=36）
I2C1->CR2 &= ~I2C_CR2_FREQ;
I2C1->CR2 |= 0x24;// 配置CCR：標準模式（100kbps），高/低電平時間相等
I2C1->CCR &= ~I2C_CCR_FS;  // 標準模式
I2C1->CCR |= 0x5A;         // CCR=90（36MHz/(2*100000*2)=90）// 配置TRISE：標準模式下TRISE=36+1=37
I2C1->TRISE = 0x25;// 使能I2C1，使能應答
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK | I2C_CR1_PE;

步驟4：實現基本讀寫函數

// 等待I2C事件（用于判斷通信狀態）
void I2C1_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t event) {uint32_t timeout = 0xFFFF;while ((I2Cx->SR1 & event) == 0) {if (timeout-- == 0) return;  // 超時退出}
}// 發送起始位
void I2C1_Start(void) {I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;          // 產生起始位I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_SB);   // 等待起始位發送完成
}// 發送停止位
void I2C1_Stop(void) {I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;           // 產生停止位
}// 發送從機地址（7位地址+讀寫標志）
void I2C1_SendAddr(uint8_t addr, uint8_t rw) {addr = (addr << 1) | (rw & 0x01);    // 地址左移1位，最低位為讀寫標志（0=寫，1=讀）I2C1->DR = addr;I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_ADDR); // 等待地址發送完成(void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;   // 清除ADDR標志（讀SR1和SR2）
}// 向從機發送1字節數據
void I2C1_SendByte(uint8_t data) {I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_TXE);  // 等待發送緩沖區空I2C1->DR = data;I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_BTF);  // 等待字節傳輸完成
}// 從從機接收1字節數據（最后一字節用NACK）
uint8_t I2C1_ReceiveByte(uint8_t is_last) {if (is_last) {I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK;      // 最后一字節，禁用應答（NACK）}I2C1_WaitEvent(I2C1, I2C_SR1_RXNE); // 等待接收數據return I2C1->DR;
}// 主機向從機寫數據（addr：7位地址，data：數據，len：長度）
void I2C1_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {I2C1_Start();                       // 起始位I2C1_SendAddr(addr, 0);             // 發送寫地址for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {I2C1_SendByte(data[i]);         // 發送數據}I2C1_Stop();                        // 停止位I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK;           // 恢復應答使能
}// 主機從從機讀數據（addr：7位地址，data：接收緩沖區，len：長度）
void I2C1_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {I2C1_Start();                       // 起始位I2C1_SendAddr(addr, 1);             // 發送讀地址for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {data[i] = I2C1_ReceiveByte(i == len-1); // 接收數據（最后一字節用NACK）}I2C1_Stop();                        // 停止位I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK;           // 恢復應答使能
}

4.2 HAL庫配置（基于STM32CubeMX）

步驟1：創建工程與時鐘配置

• 打開STM32CubeMX，選擇芯片型號（如STM32F103C8T6）；
• 配置RCC：選擇HSE時鐘，配置系統時鐘為72MHz（APB1時鐘36MHz）。

步驟2：配置I2C1

• 在“Pinout & Configuration”中，左側選擇“Connectivity”→“I2C1”；
• 模式選擇“I2C”（主機模式）；
• 參數配置：
  • I2C Speed Mode：Standard Mode（100kbps）；
  • I2C Clock Speed：100000；
  • Addressing Mode：7-bit；
• 確認引腳：I2C1_SCL=PB6，I2C1_SDA=PB7（默認引腳）。

步驟3：生成代碼

• 配置工程路徑和IDE（如Keil MDK）；
• 生成代碼（確保I2C初始化函數MX_I2C1_Init()被正確生成）。

步驟4：HAL庫讀寫函數實現

// 主機向從機寫數據（阻塞式）
HAL_StatusTypeDef I2C1_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {// 等待總線空閑while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);// 發送數據（7位地址，無寄存器地址）return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (addr << 1) | 0, data, len, 100);
}// 主機從從機讀數據（阻塞式）
HAL_StatusTypeDef I2C1_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);// 接收數據（7位地址）return HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (addr << 1) | 1, data, len, 100);
}// 先寫寄存器地址再讀數據（如讀傳感器指定寄存器）
HAL_StatusTypeDef I2C1_WriteRead(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *data, uint16_t len) {while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY);// 發送寄存器地址，再讀取數據（重復起始位）return HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, (addr << 1) | 0, reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, len, 100);
}

五、實戰案例：I2C外設通信

5.1 案例1：與AT24C02 EEPROM通信

AT24C02是一款2KB的I2C EEPROM，常用于存儲掉電不丟失的數據（如設備參數、校準值），地址可通過A0/A1/A2引腳配置（默認0xA0）。

5.1.1 關鍵操作

1. 寫入數據（頁寫入）：

   • AT24C02的頁大小為8字節，單次寫入不能超過一頁；
   • 需先發送“設備地址+寫”→“存儲地址”→“數據”。

   // 向AT24C02指定地址寫入數據（寄存器級）
   void AT24C02_Write(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {uint16_t pos = 0;uint8_t page_remain;while (len > 0) {// 計算當前頁剩余空間（頁大小8字節）page_remain = 8 - (addr % 8);if (len < page_remain) page_remain = len;I2C1_Start();I2C1_SendAddr(0xA0 >> 1, 0);  // 從機地址0xA0（7位為0x50）I2C1_SendByte(addr);          // 存儲地址for (uint8_t i = 0; i < page_remain; i++) {I2C1_SendByte(data[pos++]);}I2C1_Stop();HAL_Delay(5);  // 等待EEPROM內部寫入完成（典型5ms）addr += page_remain;len -= page_remain;}
   }
   

2. 讀取數據：

   • 發送“設備地址+寫”→“存儲地址”→“重復起始位”→“設備地址+讀”→“數據”。

   // 從AT24C02指定地址讀取數據（HAL庫）
   void AT24C02_Read(uint8_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA0, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, len, 100);HAL_Delay(1);
   }
   

5.2 案例2：與SHT30溫濕度傳感器通信

SHT30是一款高精度I2C溫濕度傳感器，地址為0x44（A引腳接GND）或0x45（A引腳接VCC），支持測量溫度（-40_{125℃）和濕度（0}100%RH）。

5.2.1 通信流程

1. 初始化傳感器：發送軟復位命令（0x30A2），確保傳感器處于就緒狀態。

   void SHT30_Reset(void) {uint8_t cmd[2] = {0x30, 0xA2};I2C1_Write(0x44, cmd, 2);  // 0x44為7位地址，寫操作HAL_Delay(10);
   }
   

2. 觸發測量：發送測量命令（0x2400為周期性測量，0x2C06為單次高精度測量）。

3. 讀取測量結果：傳感器返回6字節數據（溫度高8位、溫度低8位、溫度CRC、濕度高8位、濕度低8位、濕度CRC）。

   // 讀取溫濕度數據（HAL庫）
   HAL_StatusTypeDef SHT30_Read(float *temp, float *humi) {uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06};  // 單次高精度測量命令uint8_t data[6];// 發送測量命令if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x44 << 1, cmd, 2, 100) != HAL_OK) {return HAL_ERROR;}HAL_Delay(50);  // 等待測量完成// 讀取6字節數據if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x44 << 1 | 1, data, 6, 100) != HAL_OK) {return HAL_ERROR;}// 校驗CRC（簡化版，實際應計算CRC）if (data[2] != SHT30_CRC8(data, 2) || data[5] != SHT30_CRC8(data+3, 2)) {return HAL_ERROR;}// 轉換溫度（公式參考SHT30數據手冊）uint16_t temp_raw = (data[0] << 8) | data[1];*temp = (temp_raw * 175.0f / 65535.0f) - 45.0f;// 轉換濕度uint16_t humi_raw = (data[3] << 8) | data[4];*humi = humi_raw * 100.0f / 65535.0f;return HAL_OK;
   }
   

5.3 案例3：I2C中斷與DMA傳輸（批量數據優化）

對于需要頻繁讀寫大量數據的場景（如從多個傳感器輪詢數據），使用中斷或DMA可減少CPU阻塞時間。

5.3.1 中斷接收配置（HAL庫）

uint8_t rx_buf[16];  // 接收緩沖區// 初始化中斷接收
void I2C1_IT_Init(void) {HAL_I2C_Receive_IT(&hi2c1, (0x44 << 1) | 1, rx_buf, 6);  // 從SHT30接收6字節
}// I2C中斷接收完成回調
void HAL_I2C_RxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {if (hi2c == &hi2c1) {// 處理接收數據（如解析溫濕度）rx_complete_flag = 1;// 重新開啟中斷接收HAL_I2C_Receive_IT(&hi2c1, (0x44 << 1) | 1, rx_buf, 6);}
}

5.3.2 DMA發送示例（寫入多個傳感器配置）

uint8_t tx_buf[32];  // 存儲多個傳感器的配置命令// 使用DMA發送配置數據
void I2C1_DMA_Send(uint8_t addr, uint16_t len) {HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, (addr << 1) | 0, tx_buf, len);
}// DMA發送完成回調
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {if (hi2c == &hi2c1) {// 發送完成處理tx_complete_flag = 1;}
}

六、I2C高級特性與優化

6.1 從機模式配置

STM32的I2C外設可配置為從機模式，接收其他主機的讀寫操作，適用于多主機系統或作為從設備被控制。

從機模式配置要點（寄存器級）：

1. 配置從機地址：I2C_OAR1 = (addr << 1) | I2C_OAR1_ADDMODE;（7位地址）；
2. 使能地址匹配中斷：I2C_CR1 |= I2C_CR1_ITEVTEN;；
3. 在中斷服務函數中處理地址匹配、數據收發事件。

// I2C1從機中斷服務函數
void I2C1_IRQHandler(void) {if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR) {  // 地址匹配(void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;  // 清除標志if (I2C1->SR2 & I2C_SR2_TRA) {  // 主機寫，從機接收// 準備接收數據} else {  // 主機讀，從機發送// 準備發送數據}} else if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE) {  // 接收數據rx_data = I2C1->DR;} else if (I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE) {  // 發送數據I2C1->DR = tx_data;}
}

6.2 總線錯誤處理

I2C通信中常見錯誤（如應答失敗、仲裁丟失）需及時處理，避免總線鎖定：

// 檢測并清除I2C錯誤
void I2C1_ClearError(void) {if (I2C1->SR1 & (I2C_SR1_AF | I2C_SR1_ARLO | I2C_SR1_BERR)) {I2C1->SR1 &= ~(I2C_SR1_AF | I2C_SR1_ARLO | I2C_SR1_BERR);  // 清除錯誤標志I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE;  // 禁用外設I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;   // 重新使能}
}

6.3 低功耗模式下的I2C

在STM32低功耗模式（如STOP模式）下，可通過I2C喚醒芯片：

• 配置I2C為從機模式，使能地址匹配喚醒；
• 進入STOP模式前，確保I2C外設處于使能狀態；
• 當主機發送匹配地址時，I2C產生中斷，喚醒芯片。

七、常見問題與調試技巧

7.1 通信失敗的核心原因

7.1.1 總線無響應（從機無ACK）

• 現象：發送地址后始終無ACK，程序卡在等待ACK的循環中；
• 原因：
  • 從機地址錯誤（未考慮讀寫標志位，或硬件引腳配置錯誤）；
  • 上拉電阻缺失或阻值過大，SDA/SCL線空閑時不是高電平；
  • 從機未上電、接線錯誤（如SDA與SCL接反）；
  • 從機忙（如EEPROM正在內部寫入，需等待）。
• 排查：
  • 用萬用表測量SDA/SCL線空閑電平，確認是否為高電平；
  • 用示波器觀察地址幀是否正確發送（如地址0xA0的寫幀應為0xA0）；
  • 降低通信速率（如從100kbps降至10kbps），排除速率不匹配問題。

7.1.2 數據亂碼或校驗錯誤

• 現象：能收到ACK，但數據錯誤（如溫濕度值異常）；
• 原因：
  • 時序錯誤（如快速模式下未正確配置TRISE/CCR）；
  • 信號線噪聲過大（靠近干擾源、未鋪地平面）；
  • 從機未正確初始化（如傳感器未復位）。
• 排查：
  • 用邏輯分析儀抓取SDA/SCL波形，對比從機數據手冊的時序要求；
  • 檢查從機初始化流程（如發送復位命令、等待就緒）。

7.1.3 總線鎖定（I2C無響應）

• 現象：一次通信失敗后，后續所有I2C操作均無反應；
• 原因：通信中斷（如突然斷電、程序復位）導致SDA/SCL線被拉低，總線處于鎖定狀態；
• 解決：
  • 軟件復位I2C外設（禁用后重新使能）；
  • 若軟件復位無效，可通過GPIO模擬SCL線產生多個時鐘脈沖，釋放總線。

7.2 調試工具與方法

1. 邏輯分析儀：

   • 推薦使用帶I2C解碼功能的邏輯分析儀（如Saleae），直接解析SDA/SCL線上的地址、數據和應答信號；
   • 重點觀察：起始位/停止位是否正確、地址幀是否匹配、ACK是否存在、數據時序是否符合模式要求。

2. 最小系統驗證：

   • 用“雙線連接”驗證：僅連接STM32與一個從機（如AT24C02），排除其他設備干擾；
   • 編寫簡單測試函數（如讀取從機ID），確認基本通信正常后再擴展功能。

3. 軟件調試技巧：

   • 在關鍵步驟添加日志輸出（通過UART），記錄I2C狀態（如“發送地址0xA0”“收到ACK”）；
   • 使用HAL庫的HAL_I2C_GetError()函數獲取錯誤碼（如HAL_I2C_ERROR_AF為應答失敗）。

7.3 通信可靠性優化

• 添加重試機制：對偶爾失敗的操作（如傳感器忙），重試2~3次；
• 超時控制：所有I2C操作必須設置超時（如100ms），避免程序卡死；
• CRC校驗：對關鍵數據（如校準參數），在應用層添加CRC校驗，彌補I2C無硬件校驗的不足；
• 避免頻繁啟停：連續讀寫時使用重復起始位（而非多次啟停），減少總線開銷。

八、總結與擴展

I2C協議以其簡潔的硬件設計和靈活的多從機支持，在嵌入式系統中占據重要地位。本文從協議基礎到實戰案例，系統講解了I2C的工作原理、STM32配置方法及調試技巧，核心要點包括：

• I2C通過SCL和SDA雙線通信，依賴起始位、地址幀、應答信號實現數據傳輸；
• STM32 I2C外設支持主/從模式、中斷/DMA傳輸，配置需關注時鐘源、速率參數及時序；
• 硬件設計需重視上拉電阻、信號線布局和電平匹配，直接影響通信穩定性；
• 實戰中需根據從機特性（如EEPROM的頁寫入、傳感器的命令序列）設計通信流程。

未來學習可擴展至：

• 多主機I2C系統的仲裁機制；
• I2C與其他協議（如SPI、UART）的混合通信設計；
• 基于I2C的傳感器網絡（如多個溫濕度傳感器組網）；
• 低功耗場景下的I2C休眠與喚醒策略。

掌握I2C不僅是嵌入式開發的基礎技能，更是理解同步通信協議設計的關鍵。通過結合硬件調試工具（如邏輯分析儀）和軟件優化技巧，可有效解決實際開發中的通信問題，提升系統可靠性。

附錄：常用代碼片段

1. I2C總線釋放函數（解決總線鎖定）：

void I2C1_ReleaseBus(void) {// 配置SDA/SCL為推挽輸出GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_CNF7);GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_0 | GPIO_CRL_CNF7_0;// 產生10個SCL時鐘脈沖，釋放總線for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;  // SCL高HAL_Delay(1);GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;  // SCL低HAL_Delay(1);}// 恢復為復用開漏輸出GPIOB->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_CNF7);GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_1 | GPIO_CRL_CNF7_1;
}

2. CRC8校驗函數（用于SHT30、AT24C02等）：

uint8_t I2C_CRC8(uint8_t *data, uint8_t len) {uint8_t crc = 0xFF;for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {crc ^= data[i];for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {if (crc & 0x80) {crc = (crc << 1) ^ 0x31;} else {crc <<= 1;}}}return crc;
}

3. 多從機地址掃描函數：

// 掃描總線上所有響應的從機地址
void I2C1_ScanSlaves(void) {uint8_t addr;for (addr = 0; addr < 128; addr++) {I2C1_Start();I2C1->DR = (addr << 1) | 0;  // 寫地址HAL_Delay(1);if (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_AF)) {  // 無應答失敗，即有從機響應printf("Found slave: 0x%02X\n", addr);}I2C1_Stop();HAL_Delay(10);}
}