单片机C语言I2C总线：解锁嵌入式系统通信的5大要点

# 1. 单片机C语言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。它使用两条线（SDA和SCL）进行数据传输，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总线通常使用HAL库进行操作。HAL库提供了丰富的API函数，简化了I2C总线通信的开发。

本节将介绍I2C总线的基本概念、拓扑结构和通信协议，为后续的编程操作打下基础。

# 2. I2C总线通信原理

### 2.1 I2C总线拓扑结构

I2C总线是一种多主从结构的串行通信总线，由两条双向信号线组成：

- **SCL（串行时钟线）**：由主设备控制，为所有设备提供同步时钟信号。
- **SDA（串行数据线）**：用于数据传输，由主设备和从设备共享。

设备通过唯一地址进行寻址，每个设备都有一个7位或10位的地址。总线拓扑结构如下所示：

graph LR
subgraph 主设备
    A[主设备]
end
subgraph 从设备
    B[从设备 1]
    C[从设备 2]
    D[从设备 3]
end
A --> B
A --> C
A --> D

### 2.2 I2C总线通信协议

I2C总线通信协议遵循以下规则：

- **起始条件**：主设备将SDA从高电平拉低，同时保持SCL为高电平。
- **从设备地址**：主设备发送从设备的7位或10位地址，并指定读/写操作。
- **从设备应答**：从设备在地址后发送一个应答位（低电平），表示已收到地址。
- **数据传输**：主设备和从设备在SCL时钟信号的控制下交换数据。
- **停止条件**：主设备将SDA从低电平拉高，同时保持SCL为高电平。

### 2.3 I2C总线时序图

下图展示了I2C总线通信的一个典型时序图：

sequenceDiagram
participant 主设备 as A
participant 从设备 as B
A->B: Start
B->A: ACK
A->B: Device Address
B->A: ACK
A->B: Data
B->A: ACK
A->B: Stop

**时序图说明：**

- **起始条件**：主设备发送起始条件，从设备应答。
- **地址和读/写位**：主设备发送从设备地址和读/写位，从设备应答。
- **数据传输**：主设备和从设备交换数据，每个数据字节后都有一个应答位。
- **停止条件**：主设备发送停止条件，结束通信。

# 3. 单片机C语言I2C总线编程

### 3.1 I2C总线初始化

在使用I2C总线之前，需要对总线进行初始化，包括配置时钟频率、设置引脚功能和使能I2C模块。

// I2C总线初始化函数
void I2C_Init(uint32_t baudrate)
{
    // 1. 配置时钟频率
    I2C_SetClock(baudrate);

    // 2. 设置引脚功能
    GPIO_SetPinFunction(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    GPIO_SetPinFunction(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN, GPIO_FUNC_I2C);

    // 3. 使能I2C模块
    I2C_Enable(I2C_MODULE);
}

**参数说明：**

* `baudrate`: I2C总线时钟频率，单位为Hz。

**代码逻辑分析：**

* 第1步：调用`I2C_SetClock`函数配置I2C总线时钟频率。
* 第2步：调用`GPIO_SetPinFunction`函数设置I2C总线引脚的功能为I2C。
* 第3步：调用`I2C_Enable`函数使能I2C模块。

### 3.2 I2C总线读写操作

I2C总线读写操作包括发送起始位、发送从机地址、发送数据、接收数据和发送停止位。

// I2C总线写操作函数
int I2C_Write(uint8_t slave_addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 1. 发送起始位
    I2C_Start();

    // 2. 发送从机地址
    I2C_WriteData(slave_addr << 1);

    // 3. 发送数据
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        I2C_WriteData(data[i]);
    }

    // 4. 发送停止位
    I2C_Stop();

    return 0;
}

// I2C总线读操作函数
int I2C_Read(uint8_t slave_addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 1. 发送起始位
    I2C_Start();

    // 2. 发送从机地址
    I2C_WriteData(slave_addr << 1 | 1);

    // 3. 接收数据
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = I2C_ReadData(i == len - 1);
    }

    // 4. 发送停止位
    I2C_Stop();

    return 0;
}
``