I²C（Inter-Integrated Circuit）通信协议简介

I²C（Inter-Integrated Circuit，简称IIC）是一种 串行通信协议，用于在短距离内连接低速设备，如传感器、EEPROM、显示屏（如OLED）、ADC/DAC、RTC等。它由 飞利浦（现NXP） 在1982年开发，具有占用引脚少、支持多个设备、硬件开销低等优点，在嵌入式系统中应用广泛。

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1. I²C 的特点

• 主从结构：支持 一个或多个主机（Master） 控制多个从机（Slave）。
• 双线通信：使用两条信号线：
  • SCL（Serial Clock，串行时钟线）：由主设备提供时钟信号。
  • SDA（Serial Data，串行数据线）：用于主从设备之间的数据传输（双向）。
• 地址传输：每个从设备都有唯一的 7位或10位地址，主设备通过地址选择要通信的从设备。
• 支持多个设备：在同一条总线上，可以连接多个主机和多个从机。
• 半双工通信：数据传输为单向进行，每次只能有一个设备在发送数据。
• 支持不同速率：
  • 标准模式（Standard Mode）：最大传输速率 100kbps。
  • 快速模式（Fast Mode）：最大传输速率 400kbps。
  • 高速模式（High-speed Mode, HSM）：最大传输速率 3.4Mbps。
  • 超高速模式（Ultra Fast Mode, UFm）：最大传输速率 5Mbps。

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2. I²C 总线的工作机制

2.1 I²C 设备连接

I²C 设备通过 SCL 和 SDA 连接到总线，所有设备共享这两条总线，由 主机 负责发送 时钟信号，并向从机发起通信请求。

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2.2 I²C 数据传输格式

I²C 采用 主设备（Master） 发送 起始信号（Start Condition） 来通知从设备准备通信，然后通过 SDA 发送 从设备地址，如果有匹配的从机，它会发送应答信号（ACK）。数据传输完成后，主机发送 停止信号（Stop Condition） 结束通信。

I²C 传输步骤

1. 起始条件（START）：
   • SDA 从高变低，SCL 维持高电平，表示开始通信。

1. 发送从机地址（7位或10位）+ 读/写位（1位）：
   • 主机发送 从机地址，并设置最后 1 位（R/W）：
     • 0：写（主机向从机发送数据）
     • 1：读（主机从从机接收数据）
2. 从机应答（ACK）：
   • 如果地址匹配，从机会 拉低 SDA 发送 ACK 响应。
   • 若没有匹配，从机保持 SDA 高电平（NACK）。

1. 数据传输：
   • 发送或接收 8 位数据，每发送 1 字节，从机需要发送 ACK。
2. 停止条件（STOP）：
   • SDA 从低变高，SCL 维持高电平，表示数据传输完成。

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2.3 I²C 数据帧

一个完整的 I²C 通信帧格式如下：

   START   |  7-bit 地址  | R/W | ACK |  数据字节  | ACK | ... | STOP
  ---------|-------------|-----|-----|-----------|-----|-----|------
           |  从机地址    | 0/1 |  0  |  数据字节  |  0  |     |     

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3. I²C 读写操作示例

3.1 通过 CubeMX 配置 I²C

• 设置 I2C1：
  • SCL 口：PB8
  • SDA 口：PB9
  • 模式：主机模式（Master Mode）
  • 时钟速度：400 kHz（快速模式 Fast Mode）

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3.2 配置 PC13 作为 LED 控制引脚

• 模式：推挽输出（Output Push-Pull）
• 初始状态：高电平（LED1 熄灭）

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3.3 配置 PB1 作为外部中断

• 引脚：PB1
• 模式：外部中断（EXTI）
• 触发方式：下降沿触发（Falling Edge）

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3.4 启用 EXTI1 中断

• 中断控制器（NVIC）中启用 EXTI1
• 默认优先级

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3.5 生成代码

• 生成代码后，开始编写应用逻辑。

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3.6 在 EXTI1 的中断回调函数中切换 OLED 状态

目标：在中断触发时，通过 I²C 发送数据来切换 OLED 状态。

简要阅读SSD1306的数据手册，同时观察SSD1306的背面I2C地址指示，我们得知了OLED的I2C地址为0x78，以及点亮测试的基本流程，这样我们就能写控制驱动了。

uint8_t oled_on_cmd[]={0x00,0x8d,0x14,0xaf,0xa5};// {命令流，使能电荷泵，使能电荷泵，打开屏幕，屏幕全亮}
uint8_t oled_off_cmd[] = {0x00, 0xAE};  // 关闭显示
uint8_t DataRcvd;// 设置缓冲区存取读到的数据
uint8_t oled_state = 0; // 0: 关闭, 1: 打开

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_1)  // 确保是 B1 按键的中断
    {
        oled_state = !oled_state;  // 切换 OLED 状态
        
        if (oled_state)
        {
            //uint8_t oled_on_cmd[] = {0x00, 0xAF};  // 0xAF = 打开 OLED 显示
            HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_I2C_ADDR, oled_on_cmd, sizeof(oled_on_cmd), HAL_MAX_DELAY);
        }
        else
        {
            uint8_t oled_off_cmd[] = {0x00, 0xAE};  // 0xAE = 关闭 OLED 显示
            HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_I2C_ADDR, oled_off_cmd, sizeof(oled_off_cmd), HAL_MAX_DELAY);
        }
    }
}

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3.7 在主循环中轮询 OLED 状态，并控制 LED

目标：持续读取 OLED 的状态，并根据 OLED 是否点亮来控制 LED 开关。

while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
		HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1,OLED_I2C_ADDR,&DataRcvd,1,HAL_MAX_DELAY);// 轮询读取oled的返回值，判断屏幕状况
		if ((DataRcvd & (1 << 6)) == 0) 
		{  // 检查第6位
        HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮LED
    } 
		else 
		{
        HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET); // 熄灭LED
    }
		HAL_Delay(100);// 每0.1秒检查一下LED的情况
}

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3.8 实验现象

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4. I²C 与 SPI 的对比

特性	I²C	SPI
线数	2 条（SCL、SDA）	4 条（SCK、MISO、MOSI、CS）
速度	最高 3.4 Mbps	最高几十 Mbps
设备数量	可连接多个设备	需要独立 CS 选择设备
硬件开销	低	高
通信模式	半双工	全双工

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5. I²C 在 STM32 开发中的使用

STM32 通过 I2C 外设 控制从设备，使用 HAL 库进行配置：

1. 配置 I2C 引脚（如 SCL: PB6, SDA: PB7）
2. 初始化 I2C
3. 使用 HAL_I2C_Master_Transmit() 和 HAL_I2C_Master_Receive() 进行数据传输

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6. 结论

• I²C 是一种常用的低速串行总线，适用于短距离、多设备通信。
• 只需 2 根线即可连接多个设备，占用引脚少，硬件开销低。
• 支持多种传输速率（100kbps、400kbps、3.4Mbps等）。
• 适用于 OLED 屏幕、EEPROM、RTC、传感器等外设的通信。