第一章 I2C/SPI通信协议：红外探测器常用接口

做红外探测器驱动开发，说白了就是跟芯片「对话」。你让它干活，它给你数据。这个对话靠什么？靠的就是通信协议。我这些年摸过的红外探测器，十有八九用的都是 I2C 或 SPI。今天咱们就把这两个协议掰开揉碎了讲清楚。

1.1 为什么是 I2C 和 SPI？

你可能会问：串口不行吗？当然行，但红外探测器对实时性和数据量有要求。I2C 省引脚，适合配置寄存器；SPI 速度快，适合传输图像数据。我见过不少新手一上来就纠结选哪个，其实很简单——看数据手册。探测器厂商早就帮你定好了。

1.2 I2C 时序与驱动实现

I2C 就两根线：SCL（时钟）和 SDA（数据）。别看它简单，坑可不少。我记得刚入行那会儿，调一个 I2C 驱动调了三天，最后发现是上拉电阻没焊。嗯，这种低级错误谁都会犯。

1.2.1 时序要点

• 起始条件：SCL 高电平时，SDA 从高变低
• 停止条件：SCL 高电平时，SDA 从低变高
• 数据有效性：SCL 低电平时改变 SDA，高电平时采样
• 应答机制：每发完一个字节，等待从机拉低 SDA

我个人习惯把起始和停止条件写成宏，这样代码看着清爽。你想想看，每次都要手动拉高拉低，多容易出错。

// I2C 起始条件
#define I2C_START()   \
  SDA_HIGH();         \
  delay_us(5);        \
  SCL_HIGH();         \
  delay_us(5);        \
  SDA_LOW();          \
  delay_us(5);        \
  SCL_LOW();

// I2C 停止条件
#define I2C_STOP()    \
  SDA_LOW();          \
  delay_us(5);        \
  SCL_HIGH();         \
  delay_us(5);        \
  SDA_HIGH();

1.2.2 驱动实现示例

写 I2C 驱动，核心就三个函数：读、写、写后读。红外探测器常用的就是写寄存器配置，然后读数据。

// 写一个字节到指定寄存器
uint8_t i2c_write_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
  I2C_START();
  if (!i2c_send_byte(dev_addr << 1 | 0)) return 1;  // 写地址
  if (!i2c_send_byte(reg_addr)) return 1;             // 寄存器地址
  if (!i2c_send_byte(data)) return 1;                 // 数据
  I2C_STOP();
  return 0;
}

// 从指定寄存器读一个字节
uint8_t i2c_read_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr) {
  uint8_t data = 0;
  I2C_START();
  i2c_send_byte(dev_addr << 1 | 0);  // 写地址
  i2c_send_byte(reg_addr);             // 寄存器地址
  I2C_STOP();
  I2C_START();
  i2c_send_byte(dev_addr << 1 | 1);  // 读地址
  data = i2c_recv_byte(0);             // 不发送应答
  I2C_STOP();
  return data;
}

1.3 SPI 时序与驱动实现

SPI 比 I2C 快，但线也多。四根线：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。红外探测器用 SPI 传图像数据时，速度通常能到 10MHz 以上。

1.3.1 时序要点

• CPOL（时钟极性）：空闲时时钟是高还是低
• CPHA（时钟相位）：数据在第一个边沿还是第二个边沿采样
• 四种模式：Mode 0~3，由 CPOL 和 CPHA 组合决定
• 片选控制：传输前拉低 CS，传输后拉高 CS

我最烦的就是 SPI 模式搞混。有一次项目赶进度，我直接把数据手册上的时序图打印出来，拿尺子对着看。后来学乖了，写了个注释贴在代码头上。

// SPI 模式选择
// Mode 0: CPOL=0, CPHA=0 — 空闲低电平，第一个边沿采样
// Mode 1: CPOL=0, CPHA=1 — 空闲低电平，第二个边沿采样
// Mode 2: CPOL=1, CPHA=0 — 空闲高电平，第一个边沿采样
// Mode 3: CPOL=1, CPHA=1 — 空闲高电平，第二个边沿采样

// 红外探测器常用 Mode 0 或 Mode 3，具体看数据手册

1.3.2 驱动实现示例

SPI 驱动比 I2C 简单，因为它是全双工的。发一个字节的同时，也收一个字节。

// SPI 收发一个字节
uint8_t spi_transfer(uint8_t data) {
  uint8_t rx_data = 0;
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    // 发送位
    if (data & (1 << i)) MOSI_HIGH();
    else MOSI_LOW();
    
    // 时钟上升沿
    SCLK_HIGH();
    delay_us(1);
    
    // 接收位
    if (MISO_READ()) rx_data |= (1 << i);
    
    // 时钟下降沿
    SCLK_LOW();
    delay_us(1);
  }
  return rx_data;
}

// 批量读取数据（用于图像传输）
void spi_read_bulk(uint8_t *buffer, uint32_t len) {
  CS_LOW();
  for (uint32_t i = 0; i < len; i++) {
    buffer[i] = spi_transfer(0x00);  // 发送空数据，读取从机数据
  }
  CS_HIGH();
}

1.4 调试技巧：逻辑分析仪抓波形

写驱动最怕什么？怕代码看着没问题，但硬件就是不干活。这时候逻辑分析仪就是你的眼睛。我包里永远放着一个 8 通道的逻辑分析仪，几十块钱那种就够用。

1.4.1 抓什么？

• I2C：看起始条件、停止条件、地址、数据、应答位
• SPI：看时钟频率、数据对齐、片选时序
• 常见问题：电平不对、时序错位、应答丢失

1.4.2 怎么抓？

1. 把逻辑分析仪的通道接到 SCL/SDA（I2C）或 SCLK/MOSI/MISO/CS（SPI）
2. 设置触发条件：I2C 触发起始条件，SPI 触发 CS 下降沿
3. 运行代码，抓取波形
4. 用软件解码，看数据对不对

1.4.3 波形分析实例

假设你抓到一个 I2C 波形，发现从机没有应答。怎么办？

• 先看地址对不对——7 位地址左移一位，加上读写位
• 再看时序——SCL 频率是不是太快了？有些从机只能跑到 100kHz
• 最后看电平——上拉电阻焊了吗？电压对了吗？

我一般会先查地址，因为这是最容易犯的错。数据手册上写的地址是 7 位，但代码里要左移一位。很多人忘了这茬。

1.5 本章知识体系

下面这张图是我自己画的，把 I2C 和 SPI 的核心要点串起来了。你保存下来，调试的时候对着看，能省不少时间。

好了，这一章的内容就到这儿。I2C 和 SPI 是红外探测器驱动开发的基础，你把这些吃透了，后面调驱动就会顺手很多。记住，遇到问题别硬扛，拿逻辑分析仪抓一下波形，问题往往一目了然。