无缝交互STM32单片机I2C通信：与外部设备的亲密接触

# 1. STM32单片机I2C通信概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中。它用于连接微控制器和各种外围设备，如传感器、存储器和显示器。STM32单片机内置I2C外设，支持I2C通信。

I2C通信基于主从模式，一个主设备可以与多个从设备通信。主设备负责启动通信，指定从设备地址，并控制数据传输。从设备响应主设备的请求，接收或发送数据。

I2C通信具有以下特点：

- 双线制：仅需要两根线（时钟线SCL和数据线SDA）进行通信。
- 多主机：总线上可以连接多个主设备，通过仲裁机制解决冲突。
- 低速率：标准模式下传输速率为100kbps，快速模式下可达400kbps。

# 2. I2C通信理论基础

### 2.1 I2C通信协议

#### 2.1.1 I2C总线拓扑结构

I2C总线采用多主从结构，由一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL）组成。所有连接到总线上的设备都通过SDA和SCL线连接，形成一个总线网络。

- 主设备：负责发起通信并控制总线，可以有多个主设备。
- 从设备：响应主设备的请求，可以有多个从设备。

#### 2.1.2 I2C数据传输机制

I2C数据传输采用半双工通信方式，即总线上的设备只能同时发送或接收数据，不能同时进行。数据传输过程如下：

1. **起始条件：**主设备发送一个起始条件，表示数据传输的开始。起始条件由一个高电平到低电平的下降沿表示。
2. **设备地址：**主设备发送从设备的7位地址，地址后跟一个读/写位（R/W）。读/写位为0表示写入操作，为1表示读取操作。
3. **应答：**从设备收到地址后，如果地址匹配，则发送一个应答信号，表示已准备好进行数据传输。应答信号由一个低电平到高电平的上升沿表示。
4. **数据传输：**主设备发送或接收数据，每个字节后面跟一个应答信号。如果主设备发送数据，则从设备发送应答信号；如果主设备接收数据，则主设备发送应答信号。
5. **停止条件：**主设备发送一个停止条件，表示数据传输的结束。停止条件由一个低电平到高电平的上升沿表示。

### 2.2 I2C通信硬件实现

#### 2.2.1 STM32单片机I2C外设

STM32单片机内置I2C外设，提供硬件支持I2C通信。I2C外设包含以下寄存器：

- **CR1：**控制寄存器，用于配置I2C外设的工作模式。
- **CR2：**配置寄存器，用于配置I2C外设的时钟频率和中断使能。
- **OAR1：**从机地址寄存器，用于配置从机地址。
- **OAR2：**从机地址寄存器，用于配置从机地址掩码。
- **DR：**数据寄存器，用于发送和接收数据。
- **SR1：**状态寄存器，用于获取I2C外设的状态信息。
- **SR2：**状态寄存器，用于获取I2C外设的附加状态信息。

#### 2.2.2 I2C通信接口电路

I2C通信接口电路主要包括以下元件：

- **上拉电阻：**连接在SDA和SCL线上，用于提供总线偏置电压。
- **滤波电容：**连接在SDA和SCL线上，用于滤除总线上的噪声。
- **保护二极管：**连接在SDA和SCL线上，用于保护总线免受过压损坏。

**代码示例：**

// 配置I2C外设为从机模式
I2C_HandleTypeDef hi2c;

void I2C_Config(void) {
  hi2c.Instance = I2C1;
  hi2c.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c.Init.OwnAddress1 = 0x08;
  hi2c.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  HAL_I2C_Init(&hi2c);
}

**逻辑分析：**

该代码配置I2C1外设为从机模式，时钟频率为100kHz，占空比为2，从机地址为0x08，地址模式为7位。HAL_I2C_Init()函数将根据这些配置初始化I2C外设。

# 3.1 I2C通信库函数

#### 3.1.1 HAL库函数介绍

HAL（硬件抽象层）库函数是STM32标准外设库的一部分，它提供了一组通用的、可移植的函数，用于配置和控制STM32单片机的各种外设。对于I2C通信，HAL库提供了以下主要函数：

- **HAL_I2C_Init()：**初始化I2C外设，配置时钟、数据速率、地址模式等参数。
- **HAL_I2C_DeInit()：**反初始化I2C外设，释放资源。
- **HAL_I2C_Master_Transmit()：**以主设备模式发送数据。
- **HAL_I2C_Master_Receive()：**以主设备模式接收数据。
- **HAL_I2C_Slave_Transmit()：**以从设备模式发送数据。
- **HAL_I2C_Slave_Receive()：**以从设备模式接收数据。

**参数说明：**

| 参数 | 说明 |
|---|---|
| hi2c | I2C外设句柄 |
| DevAddress | 从设备地址 |
| pData | 数据缓冲区指针 |
| Size | 数据长度 |
| Timeout | 超时时间（毫秒） |

**代码块：**

#include "stm32f4xx_hal.h"

I2C_HandleTypeDef hi2c;

void I2C_Init(void)
{
    hi2c.Instance = I2C1;
    hi2c.Init.ClockSpeed = 100000;
    hi2c.Init.DutyCycle = I2