单片机C程序设计中的I2C总线：I2C总线原理与应用详解

# 1. 单片机C程序设计中的I2C总线**

I2C总线是一种广泛应用于单片机系统中的串行通信总线。它具有简单、低成本、易于实现等优点，广泛用于传感器、存储器、通信等外围设备的连接。

在单片机C程序设计中，I2C总线通常通过寄存器配置和中断处理来实现。寄存器配置包括设置总线时钟频率、数据格式等参数，而中断处理则用于响应总线上的事件，如数据接收、传输完成等。

# 2. I2C总线原理

### 2.1 I2C总线概述

#### 2.1.1 I2C总线特性

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线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。它具有以下特性：

- **双向通信：**设备可以在总线上既发送数据又接收数据。
- **多主机：**总线上可以有多个主机设备，但同一时间只能有一个主机设备处于活动状态。
- **多从机：**总线上可以连接多个从机设备，每个从机设备都有一个唯一的地址。
- **低速率：**I2C总线的数据传输速率通常在100 kbps到1 Mbps之间。
- **低功耗：**I2C总线设备通常功耗较低，适合于电池供电的系统。

#### 2.1.2 I2C总线物理层

I2C总线使用两根信号线：

- **SCL（时钟线）：**主机设备提供时钟信号，控制数据传输。
- **SDA（数据线）：**设备在SCL的控制下传输数据。

I2C总线设备通过上拉电阻连接到电源电压。当总线处于空闲状态时，SCL和SDA线都处于高电平。

### 2.2 I2C总线通信协议

#### 2.2.1 起始信号和停止信号

I2C总线通信以起始信号开始，以停止信号结束。

- **起始信号：**主机设备将SCL线拉低，同时将SDA线拉低，表示通信开始。
- **停止信号：**主机设备将SCL线拉低，同时将SDA线拉高，表示通信结束。

#### 2.2.2 数据传输和应答机制

数据在I2C总线上以8位字节的形式传输。每个字节传输分为以下几个阶段：

1. **开始位：**主机设备发送一个起始信号。
2. **器件地址：**主机设备发送从机设备的7位地址。
3. **读/写位：**主机设备发送一个读/写位，表示要执行读操作还是写操作。
4. **应答位：**从机设备发送一个应答位，表示它已收到地址和读/写位。
5. **数据传输：**主机设备和从机设备交换数据。
6. **停止位：**主机设备发送一个停止信号，表示通信结束。

### 2.3 I2C总线器件寻址

#### 2.3.1 器件地址分配

每个I2C总线设备都有一个唯一的7位地址。地址的高位（MSB）用于表示设备类型，低位（LSB）用于表示设备的具体型号。

#### 2.3.2 地址冲突处理

如果总线上有多个设备具有相同的地址，则会出现地址冲突。为了解决这个问题，I2C总线使用了一种称为仲裁的机制。仲裁过程如下：

1. 当多个设备同时发送地址时，SCL线将被拉低。
2. 具有最高优先级的设备将继续发送其地址，而其他设备将停止发送。
3. 优先级最高的设备将获得总线控制权，其他设备将进入空闲状态。

# 3.1 I2C总线在传感器中的应用

I2C总线在传感器领域有着广泛的应用，主要用于连接各种传感器，如温度传感器、加速度传感器等。

#### 3.1.1 温度传感器

I2C总线连接的温度传感器通常采用数字输出形式，通过将温度值转换为数字信号输出。常用的I2C温度传感器包括LM75、DS18B20等。

// LM75温度传感器读温度值
uint8_t read_temperature_LM75(void)
{
    uint8_t data[2];
    i2c_start();
    i2c_send_byte(LM75_ADDRESS << 1); // 器件地址，左移一位
    i2c_send_byte(0x00); // 寄存器地址，温度寄存器
    i2c_stop();

    i2c_start(