STM32单片机I2C编程：详解I2C通信协议，解锁设备互联新境界

# 1. I2C通信协议概述**

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于在集成电路（IC）之间进行数据传输。它是一种简单、低成本且广泛使用的协议，特别适用于短距离、低速的通信应用。

I2C协议采用主从模式，其中一个设备担任主机（Master），负责控制通信流程，而其他设备担任从机（Slave），响应主机的请求。通信过程通过两条线进行：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

# 2. STM32单片机I2C编程基础

### 2.1 I2C硬件接口和寄存器

#### 2.1.1 I2C引脚定义

STM32单片机上的I2C接口通常由两根引脚组成：

* **SCL (串行时钟)：**时钟信号引脚，由主机生成，用于同步数据传输。
* **SDA (串行数据)：**数据信号引脚，用于传输数据。

#### 2.1.2 I2C寄存器结构

STM32单片机上的I2C外设包含以下寄存器：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| I2C_CR1 | 控制寄存器 1，控制 I2C 外设的基本功能。 |
| I2C_CR2 | 控制寄存器 2，控制 I2C 外设的时钟和中断。 |
| I2C_OAR1 | 自己的地址寄存器 1，存储从机模式下的设备地址。 |
| I2C_OAR2 | 自己的地址寄存器 2，存储从机模式下的设备地址掩码。 |
| I2C_DR | 数据寄存器，用于发送和接收数据。 |
| I2C_SR1 | 状态寄存器 1，指示 I2C 外设的当前状态。 |
| I2C_SR2 | 状态寄存器 2，提供有关 I2C 外设的附加信息。 |

### 2.2 I2C通信时序和协议

#### 2.2.1 起始信号和停止信号

I2C通信以一个起始信号开始，以一个停止信号结束。

* **起始信号：**SCL为高电平时，SDA从高电平变为低电平。
* **停止信号：**SCL为高电平时，SDA从低电平变为高电平。

#### 2.2.2 数据传输和应答机制

I2C数据传输以字节为单位进行。每个字节包含 8 位数据和 1 位应答位。

* **数据传输：**主机或从机发送数据时，SDA上的数据位依次从最高位 (MSB) 到最低位 (LSB) 传输。
* **应答机制：**接收方在收到每个字节后，必须发送一个应答位，以表示已成功接收数据。应答位为低电平表示应答，高电平表示无应答。

### 2.3 I2C通信模式

#### 2.3.1 主机模式

在主机模式下，单片机充当I2C总线上的主设备，负责发起数据传输并控制总线。

**代码块：**

void I2C_Master_Init(I2C_TypeDef *I2Cx)
{
    // 配置时钟
    I2Cx->CR2 |= (I2C_CR2_FREQ_16MHZ | I2C_CR2_FREQ_400KHZ);

    // 配置控制寄存器 1
    I2Cx->CR1 |= (I2C_CR1_PE | I2C_CR1_ACK);
}

**逻辑分析：**

* `I2C_CR2_FREQ_16MHZ` 设置 I2C 时钟源为 16 MHz。
* `I2C_CR2_FREQ_400KHZ` 设置 I2C 通信速率为 400 kHz。
* `I2C_CR1_PE` 使能 I2C 外设。
* `I2C_CR1_ACK` 使能应答位生成。

#### 2.3.2 从机模式

在从机模式下，单片机充当I2C总线上的从设备，负责响应主机发起的请求并接收或发送数据。

**代码块：**

void I2C_Slave_Init(I2C_TypeDef *I2Cx)
{
    // 配置自己的地址
    I2Cx->OAR1 |= (I2C_OAR1_OA1EN | 0x0A);

    // 配置控制寄存器 1
    I2Cx->CR1 |= (I2C_CR1_PE | I2C_CR1_ACK);
}

**逻辑分析：**

* `I2C_OAR1_OA1EN` 使能自己的地址 1。
* `0x0A` 设置从机设备地址为 0x0A。
* `I2C_CR1_PE` 使能 I2C 外设。
* `I2C_CR1_ACK` 使能应答位生成。

# 3. STM32单片机I2C编程实践

### 3.1 I2C初始化和配置

#### 3.1.1 I2C时钟配置

I2C时钟配置主要涉及以下寄存器：

- **I2C_CR2寄存器**：用于配置时钟频率和时钟源。
- **I2C_CCR寄存器**：用于配置时钟控制寄存器，包括时钟预分频器和时钟倍频器。

时钟配置步骤如下：

1. 设置时钟源：使用I2C_CR2寄存器的CLKSEL位选择时钟源（APB1或APB2）。
2. 设置时钟预分频器：使用I2C_CCR寄存器的PRESC[3:0]位设置时钟预分频器值。
3. 设置时钟倍频器：使用I2C_CCR寄存器的F_S[1:0]位设置时钟倍频器值。

**代码块：**

// I2C时钟配置
void I2C_ClockConfig(I2C_TypeDef *I2Cx, uint32_t PCLK, uint32_t I2C_Speed)
{
    uint32_t freqrange = 0;
    uint16_t ccr_val = 0;
    uint16_t trise = 0;

    // 计算时钟频率范围
    freqran