第3章 I2C通信基础

3. I2C通信基础：SDA/SCL时序、地址配置、读写流程

好，咱们进入正题。I2C总线，说白了就是两根线搞定一切通信。一根时钟线SCL，一根数据线SDA。你别看它简单，这里面的门道可不少。我在做气象站项目时，就遇到过因为时序没搞对，传感器死活不响应的情况。嗯，咱们今天就把这块彻底讲透。

3.1 SDA/SCL时序：通信的脉搏

I2C的时序，核心就几个关键动作。你想想看，两根线上挂着多个设备，怎么区分谁在说话？靠的就是SCL时钟的配合。

3.1.1 空闲状态

总线空闲时，SDA和SCL都是高电平。这个状态由上拉电阻保证。我个人习惯在PCB设计时，上拉电阻选4.7kΩ，对于100kHz的标准模式够用了。如果总线电容大，可以换成2.2kΩ。

3.1.2 起始信号

SCL为高电平时，SDA从高电平跳变到低电平。这就是起始信号。我刚开始学的时候，总觉得这个时序很抽象。后来用逻辑分析仪一看，豁然开朗。

// 起始信号伪代码
void i2c_start(void) {
    SDA_HIGH();      // 确保SDA为高
    SCL_HIGH();      // SCL拉高
    delay_us(5);     // 保持一段时间
    SDA_LOW();       // SDA拉低，产生起始信号
    delay_us(5);     // 保持
    SCL_LOW();       // SCL拉低，准备传输数据
}

3.1.3 停止信号

SCL为高电平时，SDA从低电平跳变到高电平。这就是停止信号。记住这个顺序：起始是SDA先变，停止也是SDA先变。我曾经在项目中把顺序搞反了，结果总线一直卡死，查了半天才发现是这里的问题。

3.1.4 数据位传输

每个数据位在SCL的上升沿被采样。SDA在SCL低电平时改变，高电平时保持稳定。这个规则一定要记住：SCL高电平时，SDA不能变。否则会被误判为起始或停止信号。

关键时序参数（标准模式100kHz）：

SCL时钟频率：100kHz（周期10μs）
数据建立时间：≥250ns
数据保持时间：≥0ns
SCL低电平时间：≥4.7μs
SCL高电平时间：≥4.0μs

3.2 地址配置：每个设备都有自己的门牌号

I2C总线上每个设备都有唯一的7位或10位地址。咱们气象站常用的传感器，比如BMP280、SHT30，基本都是7位地址。

3.2.1 7位地址结构

地址字节的高7位是设备地址，最低位是读写位。0表示写，1表示读。举个例子，BMP280的I2C地址是0x76（如果SDO引脚接地）。

位	7	6	5	4	3	2	1	0
含义	设备地址（0x76）							R/W
值	1	1	1	0	1	1	0	0/1

小技巧：我习惯在代码里用宏定义地址，比如：

#define BMP280_ADDR_W 0xEC  // 写地址（0x76 << 1）
#define BMP280_ADDR_R 0xED  // 读地址（0x76 << 1 | 0x01）

这样在调用时直接传地址字节，不用每次计算读写位。

3.2.2 地址冲突怎么办？

如果两个设备地址相同，就不能挂在同一条I2C总线上。我曾经遇到过这种情况：一个项目里用了两个相同型号的传感器，地址都是0x76。解决办法有两个：

用I2C多路复用器（如TCA9548A）
用GPIO模拟I2C，分时访问

我个人更推荐第一种，硬件上更可靠。

3.3 读写流程：数据怎么传？

I2C的读写流程，说白了就是主机和从机之间的对话。主机发起请求，从机响应。咱们以读取BMP280的温度值为例，走一遍完整流程。

3.3.1 写操作流程

写操作通常用于配置寄存器或发送命令。流程如下：

主机发送起始信号
主机发送从机地址+写位（0）
从机应答ACK
主机发送寄存器地址
从机应答ACK
主机发送数据字节
从机应答ACK
主机发送停止信号

// 写一个字节到BMP280的某个寄存器
uint8_t bmp280_write_reg(uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
    i2c_start();
    i2c_send_byte(BMP280_ADDR_W);  // 发送写地址
    if (i2c_wait_ack() != 0) return 1;  // 等待应答
    
    i2c_send_byte(reg_addr);       // 发送寄存器地址
    if (i2c_wait_ack() != 0) return 1;
    
    i2c_send_byte(data);           // 发送数据
    if (i2c_wait_ack() != 0) return 1;
    
    i2c_stop();
    return 0;
}

3.3.2 读操作流程

读操作稍微复杂一点，需要先写寄存器地址，再重新发起起始信号读数据。这叫「复合操作」。

主机发送起始信号
主机发送从机地址+写位（0）
从机应答ACK
主机发送要读取的寄存器地址
从机应答ACK
主机重新发送起始信号（重复起始）
主机发送从机地址+读位（1）
从机应答ACK
主机读取数据字节，发送NACK（表示读完了）
主机发送停止信号

注意：重复起始信号和停止信号不同。重复起始是在SCL高电平时，SDA从高变低，但中间没有停止信号。有些传感器对重复起始支持不好，我建议在代码里明确区分。

// 从BMP280读取两个字节（温度值）
uint16_t bmp280_read_temp(void) {
    uint8_t msb, lsb;
    
    // 第一步：写寄存器地址
    i2c_start();
    i2c_send_byte(BMP280_ADDR_W);
    i2c_wait_ack();
    i2c_send_byte(0xFA);  // 温度寄存器高字节地址
    i2c_wait_ack();
    
    // 第二步：重复起始，读数据
    i2c_start();  // 重复起始
    i2c_send_byte(BMP280_ADDR_R);
    i2c_wait_ack();
    
    msb = i2c_read_byte();
    i2c_send_ack();  // 发送ACK，继续读
    
    lsb = i2c_read_byte();
    i2c_send_nack(); // 最后一个字节发NACK
    
    i2c_stop();
    
    return (msb << 8) | lsb;
}

3.4 避坑指南

做I2C通信，有几个坑我踩过，分享给大家：

时钟拉伸：有些从机在应答时会拉低SCL，主机要检测这个状态。我曾经用了一个不支持时钟拉伸的MCU，结果跟某个传感器死活通信不上。
应答超时：不要无限等待ACK。我习惯加一个超时机制，比如等待100μs没收到ACK就报错。
总线锁死：如果从机异常，可能会一直拉着SDA不放。这时候可以连续发送9个SCL时钟，让从机释放总线。
电平匹配：3.3V的MCU和5V的传感器通信，要加电平转换。我一般用PCA9306，便宜又好用。

嗯，I2C的基础就这些。你想想看，掌握了时序、地址和读写流程，基本上就能搞定大部分I2C设备了。下一节咱们会结合气象站的实际硬件，讲讲怎么用STM32的硬件I2C外设来驱动传感器。到时候我会分享一些我在调试时用的实用技巧。