单片机C语言I2C通信：低速数据传输与传感器交互的桥梁

# 1. 单片机C语言I2C通信概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，广泛应用于单片机、传感器、EEPROM等设备之间的数据交换。它具有低成本、低功耗、易于实现的特点。

在单片机C语言编程中，I2C通信主要通过软件模拟的方式实现。通过对单片机GPIO口进行配置，模拟I2C总线时序和协议，从而实现与外部设备的通信。

# 2. I2C通信理论基础

### 2.1 I2C通信协议

#### 2.1.1 I2C总线结构

I2C总线采用主从式通信方式，由一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL）组成。主设备负责控制总线，发送命令和数据，而从设备则响应主设备的命令，接收或发送数据。

**总线状态：**

* **空闲状态：**SDA和SCL都处于高电平。
* **起始状态：**主设备将SDA从高电平拉低，同时SCL保持高电平。
* **停止状态：**主设备将SDA从低电平拉高，同时SCL保持高电平。
* **数据传输状态：**主设备和从设备在SCL的时钟控制下，通过SDA传输数据。

#### 2.1.2 I2C通信时序

I2C通信时序由主设备控制，包括以下几个阶段：

**起始条件：**

* 主设备将SDA从高电平拉低，同时SCL保持高电平。

**从设备地址：**

* 主设备发送从设备的7位地址，最低位为读/写标志（0为写，1为读）。
* 从设备收到自己的地址后，将SDA拉低，表示响应。

**数据传输：**

* 主设备发送数据（写操作）或接收数据（读操作）。
* 每传输8位数据，主设备都会发送一个ACK信号（低电平）表示已收到数据。

**停止条件：**

* 主设备将SDA从低电平拉高，同时SCL保持高电平。

**时序图：**

sequenceDiagram
participant 主设备
participant 从设备
participant 时钟

主设备->时钟: 发送起始条件
时钟->主设备: 发送时钟
主设备->从设备: 发送从设备地址
从设备->时钟: 发送时钟
从设备->主设备: 发送ACK
主设备->从设备: 发送数据
从设备->时钟: 发送时钟
从设备->主设备: 发送ACK
主设备->时钟: 发送停止条件

### 2.2 I2C通信硬件实现

#### 2.2.1 I2C总线接口电路

I2C总线接口电路主要包括上拉电阻和开漏输出缓冲器。上拉电阻将SDA和SCL线拉高至电源电压，而开漏输出缓冲器允许设备在总线上拉低数据线。

#### 2.2.2 I2C通信控制器

I2C通信控制器是负责管理I2C通信的硬件模块。它可以生成起始条件、停止条件、发送和接收数据，以及处理ACK信号。大多数单片机都集成了I2C通信控制器。

# 3. 单片机C语言I2C通信编程

### 3.1 I2C通信初始化

#### 3.1.1 时钟频率配置

I2C通信时钟频率配置主要包括以下步骤：

1. 计算时钟频率分频系数：`F_SCL = F_PCLK / (4 * (SCL_H + SCL_L))`
2. 根据分频系数选择寄存器值：`PSC = F_PCLK / (F_SCL * 4) - 1`
3. 设置时钟频率寄存器：`I2C_SetClockFrequency(I2C_TypeDef *I2C, uint32_t PSC)`

**代码块：**

#define F_PCLK 72000000
#define F_SCL 100000

uint32_t PSC = (F_PCLK / (F_SCL * 4)) - 1;

I2C_SetClockFrequency(I2C1, PSC);

**逻辑分析：**

该代码块计算时钟频率分频系数，并根据分频系数设置时钟频率寄存器。

**参数说明：**

* `I2C1`：I2C外设基地址
* `PSC`：时钟频率分频系数

#### 3.1.2 I2C通信模式选择

I2C通信模式选择主要包括以下两种模式：

* 主机模式：控制总线，发送和接收数据
* 从机模式：响应主机请求，发送和接收数据

**代码块：**

I2C_SetMode(I2C1, I2C_MODE_MASTER);

**逻辑分析：**

该代码块将I2C1外设设置为主机模式。

**参数说明：**

* `I2C1`：I2C外设基地址
* `I2C_MODE_MASTER`：主机模式常量

### 3.2 I2C通信读写操作

#### 3.2.1 I2C读操作

I2C读操作主要包括以下步骤：

1. 发送起始信号
2. 发送从机地址和读/写位（0）
3. 接收应答信号
4. 发送寄存器地址
5. 接收应答信号
6. 接收数据
7. 发送停止信号

**代码块：**

uint8_t data;

I2C_Start(I2C1);
I2C_SendAddress(I2C1, 0x50, I2C_DIRECTION_READ);
I2C_WaitForAcknowledge(I2C1);
I2C_SendData(I2C1, 0x00);
I2C_WaitForAcknowledge(I2C1);
data = I2C_Re