AVR单片机I2C通信详解：深入解析I2C通信原理及应用

# 1. I2C通信简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，广泛用于连接微控制器、传感器、存储器和其他外围设备。它以其简单、低成本和可靠性而著称。

I2C通信使用两条线：一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）。设备通过发送和接收数据位来进行通信，这些数据位以特定顺序和速率传输。每个设备都有一个唯一的地址，用于在总线上识别。

I2C通信具有以下优点：

- **简单性：**I2C总线只需要两条线，并且协议易于理解和实现。
- **低成本：**I2C设备通常价格低廉，并且不需要复杂的接口电路。
- **可靠性：**I2C协议具有内置的错误检测机制，有助于确保数据传输的准确性。

# 2. I2C通信原理

### 2.1 I2C总线拓扑和信号

I2C总线是一种串行通信总线，由两根双向信号线组成：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。总线拓扑结构为多主从结构，即可以有多个主设备和多个从设备连接在同一总线上。

| 信号 | 描述 |
|---|---|
| SDA | 串行数据线，用于传输数据 |
| SCL | 串行时钟线，用于同步数据传输 |

### 2.2 I2C通信协议

I2C通信协议是一种半双工协议，这意味着总线上同一时刻只能有一个设备传输数据。通信过程由主设备发起，从设备响应。

**通信流程：**

1. **起始条件：**主设备将SDA和SCL同时拉低，表示通信开始。
2. **设备地址：**主设备发送从设备的7位地址，后跟读/写位（0表示写，1表示读）。
3. **应答：**从设备接收到正确的地址后，将SDA拉低表示应答。
4. **数据传输：**主设备发送或接收数据，从设备根据读/写位响应。
5. **停止条件：**主设备将SDA和SCL同时拉高，表示通信结束。

### 2.3 I2C设备寻址

I2C设备通过其7位地址进行寻址。地址的最高位为读/写位，其余6位为设备地址。

**地址分配：**

* 0x00-0x07：保留地址，用于特殊目的
* 0x08-0x7F：标准地址，由I2C规范定义
* 0x80-0xFE：扩展地址，用于扩展I2C设备数量

**代码示例：**

// 发送从设备地址和读/写位
void i2c_send_address(uint8_t address, uint8_t rw) {
    // 启动条件
    i2c_start();

    // 发送地址和读/写位
    i2c_write_byte((address << 1) | rw);

    // 等待应答
    if (i2c_read_ack() == 0) {
        // 从设备应答成功
    } else {
        // 从设备应答失败
    }
}

**代码逻辑分析：**

* `i2c_start()`：生成起始条件，将SDA和SCL同时拉低。
* `i2c_write_byte()`：向总线发送一个字节的数据。
* `i2c_read_ack()`：读取从设备的应答信号。

# 3. AVR单片机I2C编程

### 3.1 I2C硬件配置

#### 初始化I2C模块

void i2c_init(void) {
  // 设置SCL和SDA引脚为I2C模式
  DDRC |= (1 << DDC4) | (1 << DDC5);
  PORTC |= (1 << PORTC4) | (1 << PORTC5);

  // 设置I2C时钟频率
  TWSR = 0;  // 预分频器为1
  TWBR = ((F_CPU / 100000UL) - 16) / 2;  // 设置波特率为100kHz
}

**逻辑分析：**

* 初始化I2C模块，将SCL和SDA引脚配置为I2C模式，并设置I2C时钟频率。
* `TWSR`寄存器用于设置预分频器，`TWBR`寄存器用于设置波特率。
* `F_CPU`是单片机的时钟频率，单位为Hz。

#### 设置I2C设备地址

void i2c_set_address(uint8_t address) {
  TWAR = (address << 1);  // 设置设备地址，左移一位以适应TWI地址格式
}

**逻辑分析：**

* 设置I2C设备地址，将其写入`TWAR`寄存器。
* I2C地址格式为7位，需要左移