（1）基本电路结构
一、 串口 (UART) 的局限性与 I2C 的优势
- 串口缺点：只能实现一对一的通信。例如一个单片机若有三个串口，则最多只能连接三个串口设备。
- I2C 优势：只需一个接口即可连接大量设备，连接数量几乎不受限制。
二、 I2C 总线基本电路结构
- 信号线组成：主要由两根线组成：
- SCL (Serial Clock)：串行时钟线。
- SDA (Serial Data)：串行数据线。
- 主从关系：
- 主机 (Master)：通常由单片机担任，总线上只有一个主机。
- 从机 (Slave)：被连接的其他设备，可以有多个。
- 物理连接：所有设备的 SCL 引脚连接到总线的 SCL 线上，SDA 引脚连接到总线的 SDA 线上。
- 必要组件：必须分别为 SCL 和 SDA 线加装一个上拉电阻。
- 寻址机制：每个从机都有一个7 位地址（范围 0-127），扣除特殊地址后，总线最多可同时与 100 多个设备通信。（现在中因为有电容等物理原因，只能连接很少）
- 通信流程简述：主机先发送目标从机的 7 位地址建立通信，随后即可进行数据发送或读取
三、 时钟线与数据线的作用
- SCL (时钟线)：用于传输时钟（高低电平），始终（大多数情况下）由主机发送给从机（单向）。其频率控制着数据传输的快慢。 从机有刹车功能，主机（单片机）发送数据的速度太快了，从机还没处理完上一个字节，从机可以强行把SCL 线拉低（写0）。
- SDA (数据线)：用于传输有效数据，其通信方向是双向的
模拟一次：发送数字5（二进制0101）的过程（SCL高电压的时候SDA才会变成有效数据）
第一拍：
SCL 变成0（交警说：变阵！）。SDA 赶紧变成0。
SCL 变成1（交警说：拍照！）。接收方看一眼 SDA，哦，是0。
第二拍：
SCL 变成0（交警说：变阵！）。SDA 赶紧变成1。
SCL 变成1（交警说：拍照！）。接收方看一眼 SDA，哦，是1。
第三拍：
SCL 变成0（交警说：变阵！）。SDA 赶紧变成0。
SCL 变成1（交警说：拍照！）。接收方看一眼 SDA，哦，是0。
第四拍：
SCL 变成0（交警说：变阵！）。SDA 赶紧变成1。
SCL 变成1（交警说：拍照！）。接收方看一眼 SDA，哦，是1。
四、 逻辑“线与” (Wired-AND) 机制
- 关键设置：所有连接到 I2C 总线的设备引脚（SCL 和 SDA）都必须设置为开漏输出 (Open-Drain)模式。
- 开漏输出原理：
- 写 0：引脚内部 MOS 管闭合，引脚接地，输出低电平。
- 写 1：引脚内部 MOS 管断开，引脚呈高阻态，相当于从电路上断开。
- “线与”逻辑实现：
- 结果为 1：只有当总线上所有设备都写 1（即全部断开）时，总线才通过上拉电阻被拉至高电平。
- 结果为 0：只要有任何一个设备写 0（引脚接地），整条总线就会被拉低至低电平。
五、 信号的发送与接收
- 发送时钟信号 (SCL)：所有从机将 SCL 引脚写 1（释放），由主机交替写 0 和 1 来产生高低变化的方波信号。
- 主机向从机发送数据：所有从机将 SDA 引脚写 1，主机通过控制其 SDA 引脚写 0 或 1，从而在总线上产生对应的数据信号。
- 从机向主机发送数据（主机读取）：
- 主机写 1 释放 SDA 线。
- 非目标从机也写 1 释放 SDA 线。
- 目标从机通过控制其 SDA 引脚写 0 或 1，将数据发送到总线上供主机读取
主机向从机发送数据
从机向主机发送数据（主机读取）
发送时钟信号
（2）I²C通信协议
一、 I2C 通信基本流程
I2C 通信由主机（Master）主动发起，完整的过程包含以下四个阶段：
- 起始阶段：主机发送起始位（Start Bit）。
- 寻址阶段：主机发送从机地址及读写方向。
- 数据传输阶段：主机与从机之间进行数据交换。
- 停止阶段：主机发送停止位（Stop Bit）结束通信。
二、 I2C 数据帧格式
与串口通信不同，I2C 总线在一个数据帧内可以一次性传输多个字节。
- 起始位/停止位：标识通信的开始与结束。
- 寻址阶段：包含 7 位从机地址 所以只能是（0x00-0x7F）+ 1 位读写位（R/W）。
- 0：写操作（Write）。
- 1：读操作（Read）。
- 数据阶段：以字节（Byte）为单位传输，每个字节后必须跟一个应答位（ACK）。
1.起始位与停止位
起始位和停止位的产生都是在SCL（时钟线）保持高电压的前提下通过SDA（数据线）的电平跳变实现的：
- 起始位 (Start Bit)：SCL 为高电平时，SDA 产生一个下降沿。
- 停止位 (Stop Bit)：SCL 为高电平时，SDA 产生一个上升沿。
- 空闲状态：当总线没有通信时，SCL 和 SDA 均通过上拉电阻保持为高电平。
2.寻址与应答
- 寻址过程：主机发送 8 位数据（7位地址 + 1位读写位）后，会释放 SDA 线。
- 应答 (ACK)：释放 SDA 线后，SDA由于上拉电阻，电压被拉高。被寻址的从机如果存在，会将 SDA 线拉低，表示“收到”。（谁发谁释放，另一者拉低）
- 非应答 (NACK)：如果 SDA 保持高电平（可能是从机不存在或无法处理）不被拉低，则视为非应答。
| NACK 情况 | |
|---|---|
| 谁发的 | 作用 |
| 从机 NACK | 没接收到/有异常（接受到了） |
| 主机NACK（ACK） | “我不读了”/有异常 |
（3）I²C模块
一、 I2C 模块简介
- 模块：I2C 模块是单片机内部的片上外设，专门用于提供 I2C 通信接口。该单片机通常包含两个 I2C 模块：I2C1和I2C2。
- 内部结构：
- 数据通路：包含发送数据寄存器 (DR)、接收数据寄存器 (DR)和移位寄存器。发送时，数据从 DR 移动到移位寄存器并逐位发出；接收时，移位寄存器解析 SDA 波形后存入 DR。
- 状态寄存器 (SR1 & SR2)：包含反映模块运行状态的各种标志位。
和USART不同 没有反着发反着接收，全是正着进正着出。
- 速度模式：
- 标准模式 (SM)：波特率 ≤100 Kbps。
- 快速模式 (FM)：波特率 ≤400 Kbps（单片机最高支持此模式）。
- 注：还存在 FM+ (1Mbps)、HSM (3.4Mbps) 和 UFM (5Mbps)，但该单片机不支持。
- 占空比 (Duty Cycle)：
- 仅在快速模式 (FM) 下有效。
- 2:1 模式：低电平时间 : 高电平时间 = 2:1（常用）。
- 16:9 模式：低电平时间 : 高电平时间 = 16:9。
二、通信引脚与重映射
三、 模块初始化代码流程
- 开启时钟：需开启I2C 模块时钟(在 APB1 总线上)、AFIO 时钟（若需重映射）和GPIO 时钟。
- 引脚重映射：使用
GPIO_PinRemapConfig将 I2C 映射到目标引脚（如 PB8/PB9）。 - GPIO 初始化：设置引脚为
GPIO_Mode_AF_OD，最大输出速度设为 2MHz 即可满足 400K 波特率需求。 - 模块强制复位：通过
RCC_APB1PeriphResetCmd先使能复位（按下复位键），再失能复位（松开复位键），以清除潜在故障状态。 - I2C 结构体初始化：
I2C_ClockSpeed：设置波特率（如 400,000）。I2C_Mode：选择I2C_Mode_I2C。I2C_DutyCycle：设置占空比。
- 开启总开关：调用
I2C_Cmd使能模块，否则无法传输数据。
四、 主机发送数据流程
- 等待总线空闲：查询 SR2 寄存器中的
BUSY标志位，确保其为 0。 - 发送起始位：向
START位写 1，并等待SB(Start Bit) 标志位置位。 - 寻址阶段：
- 先清除AF
- 发送7位从机地址 + 方向位 0。代码中使用
ADDR & 0xFE实现最低位清零。 - 应答检测：使用
while循环同时监测ADDR(成功) 和AF(应答失败) 标志位。 - 寻址失败处理：若
AF=1，需发送停止位并返回错误码（如 -1）。
- 清除 ADDR 标志：这是硬件强制规定，必须先后读取 SR1 和 SR2 寄存器。
- 数据传输循环：
- 检查
TXE(发送寄存器空) 标志后写入数据。 - 每发一个字节都要检测
AF位，若从机拒收则发送停止位并返回错误码（如 -2）。
- 检查
- 传输完成：等待
BTF(字节传输完成) 标志，确保移位寄存器中的最后一位也已发出。 - 发送停止位：向
STOP位写 1 结束通信。
五、 主机接收数据 流程
- 寻址阶段：发送7位从机地址 + 方向位 1。代码中使用
ADDR | 0x01实现最低位置 1。 - ACK/NAK 关键机制：主机在接收最后一个字节后，必须回复NAK(不应答)，防止从机继续发送导致总线冲突。
- 不同数据量的读取逻辑：
- 读取 1 个字节：
- 清除 ADDR 标志。
- 立即设置
ACK=0(发送 NAK) 和STOP=1。 - 等待
RXNE置位并读取数据寄存器。
- 读取 2 个字节：
- 清除 ADDR 标志后设置
ACK=1。 - 等待第一个
RXNE并读取字节 1。 - 立即设置
ACK=0和STOP=1。 - 等待第二个
RXNE并读取字节 2。
- 清除 ADDR 标志后设置
- 读取 N 个字节 (N>2)：
- 清除 ADDR 后开启 ACK。
- 循环读取前 N−1 个字节。
- 读取倒数第二个字节后，重复“读取 1 个字节”的 NAK 和 STOP 流程。
- 读取 1 个字节：
