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前言

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种同步、半双工的串行通信协议，广泛用于连接微控制器与传感器、EEPROM等低速外设。以下是I²C协议的详细说明及在STM32F103RCT6上的代码实现。

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1. I²C协议基础

1.1 物理层特性

两根信号线

SCL

SCL（Serial Clock）：时钟线，由主机控制。

SDA

SDA（Serial Data）：数据线，双向传输。

支持多主多从

支持多主多从：通过地址寻址区分设备。

标准模式

1. 100 kHz（低速）
2. 400 kHz（快速模式）
3. 1 MHz（高速模式，STM32F103支持最高400kHz）

电平

电平：开漏输出（需外接上拉电阻，通常4.7kΩ）。

1.2 通信流程

起始条件（Start Condition）

SCL高电平时，SDA由高→低。

从机地址（Slave Address）

7位地址 + 1位读写方向（0:写，1:读）。

应答（ACK/NACK）

每传输1字节后，接收方**拉低SDA（ACK）**表示成功。

数据传输：

主机发送数据或从机返回数据。

停止条件（Stop Condition）

SCL高电平时，SDA由低→高。

1.3 典型通信序列

写数据

START → 从机地址(写) → ACK → 寄存器地址 → ACK → 数据 → ACK → STOP

读数据

START → 从机地址(写) → ACK → 寄存器地址 → ACK →
START → 从机地址(读) → ACK → 数据 → NACK → STOP

2. STM32F103RCT6的I²C硬件配置

STM32F103RCT6有2个I²C接口（I2C1、I2C2），支持主/从模式。以下以I2C1（PB6=SCL, PB7=SDA）为例：

2.1 硬件连接

I²C信号 STM32引脚
SCL PB6
SDA PB7
GND 共地
上拉电阻 4.7kΩ至3.3V

2.2 CubeMX配置

启用I2C1（模式：I2C）。
配置SCL/SDA引脚（PB6/PB7）。
设置时钟速度（如100kHz）。
启用中断（可选，用于事件处理）。

3. HAL库代码实现

3.1 I²C初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"

I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void MX_I2C1_Init(void) {
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;          // 100kHz
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;  // 50%占空比
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;              // 主机模式无需地址
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

3.2 基本读写函数

(1) 写入1字节数据

HAL_StatusTypeDef I2C_WriteByte(uint8_t devAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data) {
  return HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, devAddr, regAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100);
}
参数：
devAddr：从机地址（7位，左对齐，如0x68 << 1）。
regAddr：寄存器地址。
data：待写入数据。

(2) 读取1字节数据

HAL_StatusTypeDef I2C_ReadByte(uint8_t devAddr, uint8_t regAddr, uint8_t *data) {
  return HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, devAddr, regAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 1, 100);
}

(3) 连续读写

// 写入多字节
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0x68<<1, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buffer, 4, 100);

// 读取多字节
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buffer, 4, 100);

4. 软件模拟I²C（GPIO模拟）

如果硬件I²C不可用，可用GPIO模拟：

4.1 初始化GPIO

void I2C_GPIO_Init() {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  // SCL=PB6, SDA=PB7
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
  
  // 初始状态：SDA和SCL高电平
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
}

4.2 模拟时序函数

// 起始信号
void I2C_Start() {
  SDA_HIGH();
  SCL_HIGH();
  Delay_us(5);
  SDA_LOW();  // SCL高时SDA拉低
  Delay_us(5);
  SCL_LOW();  // 准备数据传输
}

// 停止信号
void I2C_Stop() {
  SDA_LOW();
  SCL_HIGH();
  Delay_us(5);
  SDA_HIGH(); // SCL高时SDA拉高
  Delay_us(5);
}

// 发送1字节
void I2C_WriteByte(uint8_t data) {
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
    SCL_LOW();
    if (data & 0x80) SDA_HIGH();
    else SDA_LOW();
    Delay_us(2);
    SCL_HIGH();
    Delay_us(5);
    SCL_LOW();
    data <<= 1;
  }
  // 等待ACK
  SDA_HIGH(); // 释放SDA
  SCL_HIGH();
  Delay_us(2);
  if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_7) { // 检测ACK
    // NACK处理
  }
  SCL_LOW();
}

5. 常见问题与调试

5.1 I²C通信失败原因

从机地址错误：

确保地址正确（如MPU6050的7位地址是0x68，写入时左移1位：0x68 << 1）。

上拉电阻未接：

SDA/SCL必须接4.7kΩ上拉电阻。

时序问题：

检查时钟速度是否匹配（从机是否支持400kHz？）。

硬件冲突：

确保没有多个设备同时驱动总线。

5.2 逻辑分析仪抓取波形

使用Saleae或PulseView观察：

1. 起始/停止条件是否正常？
2. ACK/NACK是否正确？
3. 数据线是否被意外拉低？

6. 完整示例：读取MPU6050的WHO_AM_I寄存器

uint8_t who_am_i;
if (HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1, 0x75, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &who_am_i, 1, 100) == HAL_OK) {
  printf("MPU6050 ID: 0x%02X\n", who_am_i); // 正确应返回0x68
}

总结

硬件I²C

硬件I²C：使用HAL库的HAL_I2C_Mem_Read/Write最方便。

软件模拟I²C

软件模拟I²C：灵活但占用CPU资源。

调试关键

调试关键：检查地址、上拉电阻、逻辑分析仪波形。
通过上述方法，可稳定实现STM32F103RCT6与I²C设备的通信。

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