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STM32 I2C 基础

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛使用的串行通信协议，用于连接低速外围设备。它仅需两根线（SDA 和 SCL）即可实现设备之间的通信，非常适合在资源有限的嵌入式系统中使用。本文将详细介绍 STM32 微控制器中的 I2C 通信，帮助初学者快速掌握其基本原理和实际应用。

什么是 I2C？​

I2C 是一种同步、多主从、双向的串行通信协议。它由 Philips（现为 NXP）开发，主要用于短距离通信。I2C 协议具有以下特点：

  • 两根线：SDA（数据线）和 SCL（时钟线）。
  • 多主从架构：支持多个主设备和从设备。
  • 地址寻址：每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址与从设备通信。
  • 低速通信：通常用于低速设备，如传感器、EEPROM 等。

I2C 通信的基本原理​

I2C 通信基于主从模式。主设备负责发起通信并控制时钟信号（SCL），而从设备则响应主设备的请求。以下是 I2C 通信的基本步骤：

  1. 起始条件：主设备拉低 SDA 线，然后拉低 SCL 线，表示通信开始。
  2. 地址传输：主设备发送从设备的地址（7 位或 10 位）和读写位（0 表示写，1 表示读）。
  3. 应答信号：从设备接收到地址后，发送一个应答信号（ACK）表示确认。
  4. 数据传输：主设备或从设备开始传输数据，每个字节后跟随一个应答信号。
  5. 停止条件：主设备拉高 SDA 线，然后拉高 SCL 线，表示通信结束。

STM32 中的 I2C 配置​

在 STM32 中，I2C 通信通过硬件外设实现。以下是配置 I2C 的基本步骤：

  1. 启用 I2C 外设时钟：通过 RCC 寄存器启用 I2C 外设的时钟。
  2. 配置 GPIO 引脚：将 SDA 和 SCL 引脚配置为复用功能。
  3. 配置 I2C 参数：设置 I2C 的时钟速度、地址模式等参数。
  4. 启用 I2C：启动 I2C 外设。

以下是一个简单的代码示例，展示如何在 STM32 中配置 I2C：

#include "stm32f4xx.h"

void I2C_Config(void) {
    // 启用 GPIOB 和 I2C1 时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

    // 配置 GPIOB 引脚 6 和 7 为 I2C1 的 SCL 和 SDA
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_I2C1);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_I2C1);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_OD;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    // 配置 I2C1
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
    I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 100000; // 100 kHz
    I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0x00; // 主设备地址
    I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct);

    // 启用 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}
提示

在实际应用中，I2C 的时钟速度应根据从设备的规格进行设置。常见的时钟速度有 100 kHz（标准模式）和 400 kHz（快速模式）。

实际应用案例：读取温度传感器数据​

假设我们有一个 I2C 温度传感器（如 LM75），我们可以通过以下步骤读取其温度数据：

  1. 发送传感器地址：LM75 的地址通常为 0x48。
  2. 发送读取命令：发送读取温度寄存器的命令。
  3. 读取数据：从传感器读取两个字节的温度数据。

以下是一个简单的代码示例：

uint8_t I2C_ReadTemperature(void) {
    uint8_t temperature[2];

    // 发送起始条件
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送传感器地址（写模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x48, I2C_Direction_Transmitter);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    // 发送读取温度寄存器的命令
    I2C_SendData(I2C1, 0x00); // 温度寄存器地址
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    // 重新发送起始条件
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    // 发送传感器地址（读模式）
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x48, I2C_Direction_Receiver);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));

    // 读取温度数据
    temperature[0] = I2C_ReceiveData(I2C1);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
    temperature[1] = I2C_ReceiveData(I2C1);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));

    // 发送停止条件
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

    return temperature[0]; // 返回温度数据
}
备注

在实际应用中，读取的温度数据可能需要进一步处理，例如将原始数据转换为实际温度值。

总结​

I2C 是一种简单而强大的串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中。通过本文的学习，你应该已经掌握了 STM32 中 I2C 的基本原理、配置方法以及实际应用。希望这些知识能够帮助你在未来的项目中更好地使用 I2C 通信。

附加资源与练习​

  • 练习：尝试使用 STM32 的 I2C 接口与多个从设备通信，例如同时读取温度和湿度传感器的数据。
  • 资源：参考 STM32 的官方参考手册，了解更多关于 I2C 外设的详细信息。
警告

在实际开发中，务必注意 I2C 总线的上拉电阻配置，以确保通信的稳定性。