STM32单片机I2C总线详解：通信协议、硬件配置和编程实战

# 1. I2C总线简介**

I2C总线是一种串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中。它是一种半双工通信协议，使用两条信号线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。I2C总线具有以下特点：

- 低成本：只需要两条信号线，无需额外的时钟线。
- 低功耗：I2C总线采用低速通信，功耗较低。
- 高可靠性：I2C总线采用双向数据传输，具有较高的可靠性。
- 易于使用：I2C总线协议简单，易于实现。

# 2. I2C通信协议

### 2.1 数据传输格式

I2C总线采用串行通信方式，数据以8位为一帧进行传输。数据传输格式如下：

+-------------------------------------------------+
| 起始位 | 从机地址（7位） | 写/读位 | 数据（8位） | 停止位 |
+-------------------------------------------------+

- 起始位：一个低电平信号，表示数据传输的开始。
- 从机地址：7位二进制数，用于标识要通信的从机设备。
- 写/读位：一个低电平信号表示写操作，一个高电平信号表示读操作。
- 数据：8位二进制数，表示要传输的数据。
- 停止位：一个高电平信号，表示数据传输的结束。

### 2.2 通信流程

I2C总线通信流程如下：

1. 主机发送起始位。
2. 主机发送从机地址和写/读位。
3. 从机应答。
4. 主机发送数据（写操作）或接收数据（读操作）。
5. 从机应答。
6. 主机发送停止位。

### 2.3 寻址和应答

在I2C总线上，每个设备都有一个唯一的7位地址。主机在发送数据之前需要先发送从机地址。从机收到地址后，如果地址与自己的地址匹配，则会发送一个应答信号（低电平）。如果没有匹配，则不会发送应答信号。

### 2.4 中断处理

I2C总线支持中断处理。当发生以下事件时，可以触发中断：

- 从机应答
- 数据传输完成
- 发生错误（例如：仲裁丢失、总线空闲超时）

中断处理程序可以根据不同的事件类型执行相应的操作，例如：接收数据、发送数据或处理错误。

# 3. STM32单片机I2C硬件配置**

### 3.1 I2C外设寄存器

STM32单片机的I2C外设寄存器主要包括以下几个：

| 寄存器名称 | 描述 |
|---|---|
| I2C_CR1 | 控制寄存器1，用于配置I2C总线的基本功能，如传输模式、时钟频率等 |
| I2C_CR2 | 控制寄存器2，用于配置I2C总线的其他功能，如中断使能、从机地址等 |
| I2C_OAR1 | 从机地址寄存器1，用于配置从机的地址 |
| I2C_OAR2 | 从机地址寄存器2，用于配置从机的地址掩码 |
| I2C_DR | 数据寄存器，用于发送和接收数据 |
| I2C_SR1 | 状态寄存器1，用于反映I2C总线的当前状态 |
| I2C_SR2 | 状态寄存器2，用于反映I2C总线的其他状态 |

### 3.2 I2C时钟配置

I2C总线的时钟频率可以通过I2C_CR2寄存器的PSC和F_SCL两个字段进行配置。PSC字段用于设置时钟预分频系数，F_SCL字段用于设置时钟频率。

时钟频率计算公式：

F_SCL = F_APB1 / (PSC + 1) * F_SCL

其中：

* F_APB1：APB1总线时钟频率
* PSC：时钟预分频系数
* F_SCL：I2C总线时钟频率

例如，如果APB1总线时钟频率为42MHz，PSC设置为1，F_SCL设置为1，则I2C总线时钟频率为21MHz。

### 3.3 I2C引脚配置

I2C总线使用两个引脚：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。这些引脚需要配置为开漏输出模式，并连接到外部上拉电阻。

STM32单片机的I2C引脚配置可以通过GPIO寄存器进行配置。以下代码示例展示了如何配置PB6和PB7引脚为I2C引脚：

// 启用GPIOB时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;

// 配置PB6为开漏输出模式
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE6;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE6_1;

// 配置PB7为开漏输出模式
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE7;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE7_1;

### 3.4 中断配置

I2C总线支持中断功能，可以通过I2C_CR2寄存器的ITEN字段进行使能。当I2C总线发生中断时，会触发I2C_IRQn中断。

I2C总线支持以下中断：

* TXE：发送数据寄存器为空中断
* RXNE：接收数据寄存器非空中断
* TC：传输完成中断
* STOP：停止条件检测中断
* NACKF：非应答中断
* ARLO：仲裁丢失中断
* OVR：溢出/欠载中断
* PECERR：PEC错误中断
* SMBALERT：SMBus警报中断

中断配置可以通过NVIC寄存器进行配置。以下代码示例展示了如何配置I2C_IRQn中断：

// 启用I2C中断
NVIC_EnableIRQ(I2C_IRQn);

// 配置I2C中断优先级
NVIC_SetPriority(I2C_IRQn, 1);

# 4. I2C通信编程实战

### 4.1 I2C初始化

**代码块：**

void I2C_Init(I2C_TypeDef *I2Cx, uint32_t clock_spee