3、传感器数据采集基础：I2C协议详解（时序、地址、读写）、SPI协议详解（模式、片选、DMA）、寄存器操作封装

各位同学，欢迎来到传感器驱动开发的第一道坎——总线协议。说实话，搞了这么多年嵌入式，我见过太多人在I2C和SPI上翻车了。不是时序没配好，就是地址搞错了，最后拿着示波器抓波形抓到怀疑人生。今天咱们就把这两个协议彻底讲透，顺便聊聊我这些年踩过的坑。

3.1 I2C协议：两根线搞定一切

I2C，说白了就是一根时钟线（SCL）加一根数据线（SDA）。两根线能挂一堆设备，靠的就是地址。我个人习惯把I2C比作一个班级——SCL是老师喊口令，SDA是学生传纸条。

3.1.1 时序基础

先看最核心的时序图。我当年第一次看I2C时序图，差点被那些上升沿、下降沿搞晕。其实记住几个关键点就行：

• 起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低。这就是“我要开始说话了”的信号。
• 停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高。这就是“我说完了”。
• 数据采样：数据在SCL低电平时变化，高电平时被采样。嗯，这里要注意，千万别在SCL高电平时去动SDA，除非你要发起始或停止。

3.1.2 地址与读写

I2C地址通常是7位或10位。咱们最常用的是7位地址。举个例子，一个MPU6050的地址是0x68，但你要发送的时候得左移一位，再加上读写位。

为什么会这样？因为I2C协议规定，第一个字节的高7位是地址，最低位是读写标志。0表示写，1表示读。所以：

• 写操作：发送 0x68 << 1 | 0 = 0xD0
• 读操作：发送 0x68 << 1 | 1 = 0xD1

我建议你在写驱动时，直接定义两个宏：

#define MPU6050_ADDR     0x68
#define MPU6050_WRITE    ((MPU6050_ADDR << 1) | 0)
#define MPU6050_READ     ((MPU6050_ADDR << 1) | 1)

这样代码可读性高，也不容易搞混。

3.1.3 读写流程

写操作流程很简单：

1. 发送起始条件
2. 发送设备地址 + 写位（0），等待ACK
3. 发送寄存器地址，等待ACK
4. 发送数据字节，每字节后等待ACK
5. 发送停止条件

读操作稍微绕一点，需要先写寄存器地址，再重新发送起始条件（这叫重复起始），然后读数据：

1. 发送起始条件
2. 发送设备地址 + 写位，等待ACK
3. 发送寄存器地址，等待ACK
4. 发送重复起始条件
5. 发送设备地址 + 读位，等待ACK
6. 读取数据字节，每字节后发送ACK（最后一字节发NACK）
7. 发送停止条件

3.2 SPI协议：速度与激情

SPI比I2C快得多，但线也多。四条线：SCK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。说白了就是全双工通信，主设备发一个bit的同时，从设备也发一个bit回来。

3.2.1 四种模式

SPI有四种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定。我当年背这四种模式背得头大，后来发现其实就两个参数：

模式	CPOL	CPHA	说明
模式0	0	0	空闲时SCK为低，第一个边沿采样
模式1	0	1	空闲时SCK为低，第二个边沿采样
模式2	1	0	空闲时SCK为高，第一个边沿采样
模式3	1	1	空闲时SCK为高，第二个边沿采样

你想想看，其实只要记住：CPOL决定空闲电平，CPHA决定采样边沿。大多数传感器默认用模式0或模式3。我建议你拿到传感器数据手册后，第一件事就是查SPI模式，配错了通信直接废掉。

3.2.2 片选管理

片选（CS）是SPI的灵魂。每个从设备独占一根CS线，低电平有效。通信流程：

1. 拉低目标设备的CS引脚
2. 等待一小段时间（有些传感器需要CS建立时间）
3. 发送/接收数据
4. 拉高CS引脚

这里有个细节：CS拉高后，最好等一小段时间再拉低，这叫CS去抖。我见过一些传感器，CS切换太快会进入奇怪的状态。

3.2.3 DMA传输

SPI配合DMA，那才是真正的性能怪兽。DMA说白了就是硬件搬运工，CPU告诉它“把这段内存的数据搬到SPI发送寄存器”，然后CPU就可以去干别的事了。

我一般在PX4驱动里这样用DMA：

// 伪代码示例
void spi_transfer_dma(uint8_t *tx_buf, uint8_t *rx_buf, uint16_t len) {
    // 配置DMA通道
    // 源地址：tx_buf，目标地址：SPI_DR
    // 源地址：SPI_DR，目标地址：rx_buf
    
    // 启动DMA传输
    DMA_Enable();
    
    // 等待传输完成（可以用中断或轮询）
    while(!DMA_Complete());
}

使用DMA的好处是，CPU可以在SPI传输期间处理其他任务，比如姿态解算。在PX4的传感器驱动中，我习惯用DMA + 中断的方式，这样CPU利用率最高。

3.3 寄存器操作封装

写传感器驱动，说白了就是读写寄存器。但直接操作寄存器太容易出错了。我建议你封装一下：

// 寄存器操作封装
typedef struct {
    uint8_t dev_addr;   // I2C地址或SPI片选
    uint8_t reg_addr;   // 寄存器地址
    uint8_t value;      // 寄存器值
} reg_op_t;

// I2C读写封装
int i2c_read_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len);
int i2c_write_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len);

// SPI读写封装
int spi_read_reg(uint8_t cs_pin, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len);
int spi_write_reg(uint8_t cs_pin, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t len);

这样封装后，上层代码只需要调用这些接口，不用关心底层是I2C还是SPI。我在PX4的传感器驱动里就是这么干的，换传感器只需要改底层接口，上层逻辑基本不动。

3.4 本章知识体系

下面这张图是我自己画的，把本章的核心逻辑串起来了。你看一眼就能明白I2C和SPI的异同：

嗯，这张图把I2C和SPI的核心差异都标出来了。你写驱动时，先想清楚用哪个协议，再根据这张图去配参数，基本不会出错。

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