STM32单片机I2C通信：掌握低速通信精髓，解锁设备间高效协作

# 1. I2C通信基础**

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种低速串行通信总线，用于连接微控制器、传感器和其他外围设备。它以其简单、低成本和可靠性而著称，使其成为嵌入式系统中广泛使用的通信协议。

I2C通信采用主从模式，其中一个设备（主机）控制总线并发起通信，而其他设备（从机）响应主机的请求。总线由两根线组成：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。主机通过SDA线发送数据，而从机通过SDA线接收数据。SCL线由主机控制，它为数据传输提供时钟信号。

# 2. STM32单片机I2C接口

### 2.1 I2C接口硬件结构

STM32单片机I2C接口由两个双向开漏输出引脚组成：SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）。

- **SCL：**负责时钟信号的传输，由主设备产生，从设备接收。
- **SDA：**负责数据信号的传输，双向传输，由主设备和从设备共同使用。

### 2.2 I2C接口寄存器

I2C接口寄存器用于控制和配置I2C接口。

#### 2.2.1 I2C_CR1寄存器

| 位段 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| PE | Peripheral enable | I2C接口使能 |
| TXIE | Transmit interrupt enable | 发送中断使能 |
| RXIE | Receive interrupt enable | 接收中断使能 |
| ADDRIE | Address match interrupt enable | 地址匹配中断使能 |
| NACKIE | Not acknowledge received interrupt enable | 未应答中断使能 |
| STOPIE | Stop condition interrupt enable | 停止条件中断使能 |
| START | Start generation | 产生起始信号 |
| ACK | Acknowledge | 发送应答信号 |
| PECIE | Packet error checking interrupt enable | 数据包错误检查中断使能 |
| SMBTYPE | SMBus type | SMBus类型选择 |
| SMBUS | SMBus mode | SMBus模式选择 |
| GCEN | General call enable | 通用调用使能 |
| ENARP | ARP enable | 自动重复启动使能 |

#### 2.2.2 I2C_CR2寄存器

| 位段 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| FREQ | Clock speed | 时钟频率选择 |
| I2CPOL | I2C clock polarity | 时钟极性选择 |
| CCR | Clock control register | 时钟控制寄存器 |
| F | Fast mode | 快速模式选择 |
| DNF | Digital noise filter | 数字噪声滤波器 |
| DMAEN | DMA enable | DMA使能 |

#### 2.2.3 I2C_SR1寄存器

| 位段 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| SB | Start bit | 起始位标志 |
| ADDR | Address matched | 地址匹配标志 |
| TXE | Data register empty | 数据寄存器为空标志 |
| RXNE | Receive data register not empty | 接收数据寄存器非空标志 |
| AF | Acknowledge failure | 未应答标志 |
| BTF | Byte transfer finished | 字节传输完成标志 |
| OVR | Overrun/underrun | 溢出/欠载标志 |
| PECERR | Packet error | 数据包错误标志 |
| TIMEOUT | Timeout or slave mode timeout | 超时或从机模式超时标志 |
| SMBHOST | SMBus host address | SMBus主机地址 |
| SMBDEFAULT | SMBus default address | SMBus默认地址 |
| I2CBSY | Bus busy | 总线忙标志 |

#### 2.2.4 I2C_SR2寄存器

| 位段 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| PEC | Packet error checking | 数据包错误检查 |
| DUALF | Dual flag | 双重标志 |
| SMBHOST1 | SMBus host address bit 1 | SMBus主机地址位1 |
| SMBDEFAULT1 | SMBus default address bit 1 | SMBus默认地址位1 |
| GENCALL | General call | 通用调用标志 |
| TRA | Transmitter/receiver | 发送器/接收器标志 |
| BUSY | Bus busy | 总线忙标志 |

### 2.3 I2C接口时序

I2C通信时序由以下三个信号组成：

#### 2.3.1 起始信号

- 主设备拉低SCL和SDA，保持SCL低电平，SDA上升沿表示起始信号。

#### 2.3.2 数据传输

- 主设备或从设备发送8位数据，每位数据传输前，主设备产生一个时钟脉冲。
- 数据传输完成后，接收设备发送一个应答信号（拉低SDA）。

#### 2.3.3 停止信号

- 主设备拉高SDA和SCL，保持SDA高电平，SCL下降沿表示停止信号。

# 3. STM32单片机I2C通信编程

### 3.1 I2C通信初始化

**代码块 1：I2C通信初始化**

void I2C_Init(I2C_TypeDef *I2Cx, uint32_t ClockSpeed)
{
    // 使能I2C时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

    // 配置I2C模式为I2C模式
    I2Cx->CR1 &= ~I2C_CR1_SMBUS;

    // 配置I2C时钟频率
    I2Cx->CR2 = (ClockSpeed & 0x3F) << I2C_CR2_FREQ_Pos;

    // 使能I2C外设
    I2Cx->CR1 |= I2C_CR1_PE;
}

**逻辑分析：**

* 第一行使能I2C时钟。
* 第二行配置I2C模式为I2C模式，清除SMBUS位。
* 第三行配置I2C时钟频率，将时钟速度移位到FREQ位置。
* 第四行使能I2C外设。

**参数说明：**

* I2Cx：I2C外设指针
* ClockSpeed：I2C时钟速度

### 3.2 I2C数据传输

#### 3.2.1 主机模式数据传输

**代码块 2：主机模式数据传输**

void I2C_Master_Transmit(I2C_TypeDef *I2Cx, uint8_t SlaveAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
    // 发送起始信号
    I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);

    // 等待起始信号发送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送从机地址
    I2C_Send7bitAddress(I2Cx, SlaveAddress, I2C_Direction_Transmitter);

    // 等待从机地址发送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    // 发送数据
    for (uint16_t i = 0; i < Size; i++)
    {
        I2C_SendData(I2Cx,