12. I2C 协议

📝本节您将了解 I2C 总线通信协议的原理和时序，学习软件 I2C 的实现方法，并通过天巧星板载 I2C 设备进行通信验证。

🏆本章目标

1️⃣ 理解 I2C 总线的通信原理和时序规范

2️⃣ 掌握软件 I2C（GPIO 位模拟）的实现方法

3️⃣ 了解 I2C 设备地址和读写流程

4️⃣ 实现与板载 I2C 设备的数据通信

12.1 I2C 总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit）是由 Philips（现 NXP）开发的双线串行通信总线，广泛用于 MCU 与低速外设之间的短距离通信。

总线特点

特性	说明
信号线	仅需 2 根：SDA（数据）+ SCL（时钟）
通信方式	半双工，同一时刻只能单向传输
主从架构	主机发起通信，从机响应
多设备	一条总线可挂载多个从设备（通过地址区分）
速率	标准模式 100kHz / 快速模式 400kHz
电平	开漏输出 + 外部上拉电阻

硬件连接

        VDD (3.3V)
         │    │
        [R]  [R]   ← 上拉电阻（通常 2.2kΩ ~ 10kΩ）
         │    │
MCU ─── SDA ──┼─── 设备1 SDA
MCU ─── SCL ──┼─── 设备1 SCL
              │
              ├─── 设备2 SDA/SCL
              └─── 设备3 SDA/SCL ...

所有设备的 SDA 和 SCL 并联在同一总线上，通过唯一的 7-bit 地址区分。

开漏输出与上拉电阻

I2C 使用开漏输出结构：设备只能将总线拉低，不能主动驱动高电平。总线空闲时由上拉电阻拉至高电平。这种设计允许多个设备安全地共享同一根线——任何一个设备拉低总线，总线就为低电平；所有设备释放时，总线被上拉为高电平。

12.2 I2C 通信时序

起始条件（Start）

SCL 为高电平时，SDA 从高电平跳变到低电平。

停止条件（Stop）

SCL 为高电平时，SDA 从低电平跳变到高电平。

数据传输规则

• 数据在 SCL 低电平期间允许变化
• 数据在 SCL 高电平期间必须稳定（此时采样）
• 每个字节 8 bit，高位先发（MSB first）
• 每字节后接收方回复 1 bit ACK（应答）

应答机制（ACK / NACK）

• ACK：接收方在第 9 个时钟将 SDA 拉低，表示成功接收
• NACK：SDA 保持高电平，表示未接收或通信结束

写操作时序

Start → [7-bit地址 + W(0)] → ACK → [寄存器地址] → ACK → [数据] → ACK → Stop

读操作时序

Start → [7-bit地址 + W(0)] → ACK → [寄存器地址] → ACK →
Re-Start → [7-bit地址 + R(1)] → ACK → [数据] → NACK → Stop

12.3 天巧星 I2C 资源

引脚	功能	说明
PA0	SDA	数据线，板载 2.2kΩ 上拉
PA1	SCL	时钟线，板载 2.2kΩ 上拉

板载 I2C 设备：

设备	地址	用途
OLED 显示屏	0x3C	128×64 SSD1306
IMU 姿态传感器	视型号	加速度 + 陀螺仪

软件 I2C vs 硬件 I2C

天巧星使用 GPIO 位模拟（软件 I2C）：

• 优点：任意 GPIO 引脚可用，灵活性高，不受硬件 I2C 外设限制
• 缺点：CPU 参与每个时钟周期操作，速率略低

对 OLED 和 IMU 这类低速设备，软件 I2C 完全能胜任。

12.4 软件 I2C 实现

12.4.1 GPIO 配置

SysConfig 中配置 PA0 和 PA1：

引脚	方向	IO 结构	内部电阻	初始值
PA0 (SDA)	Output	Open Drain	Pull-Up	High
PA1 (SCL)	Output	Open Drain	Pull-Up	High

12.4.2 底层引脚操作

#include "ti_msp_dl_config.h"

#define I2C_SDA_PORT    GPIO_I2C_PORT
#define I2C_SDA_PIN     GPIO_I2C_PIN_SDA_PIN
#define I2C_SCL_PORT    GPIO_I2C_PORT
#define I2C_SCL_PIN     GPIO_I2C_PIN_SCL_PIN

static inline void sda_high(void) { DL_GPIO_setPins(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN); }
static inline void sda_low(void)  { DL_GPIO_clearPins(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN); }
static inline void scl_high(void) { DL_GPIO_setPins(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN); }
static inline void scl_low(void)  { DL_GPIO_clearPins(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN); }

static inline uint8_t sda_read(void)
{
    return (DL_GPIO_readPins(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN) != 0) ? 1 : 0;
}

// I2C 延时（控制速率，约 200kHz）
static inline void i2c_delay(void)
{
    delay_cycles(80);  // 32MHz 下约 2.5μs
}

12.4.3 协议层函数

void i2c_start(void)
{
    sda_high(); scl_high(); i2c_delay();
    sda_low();  i2c_delay();  // SCL高时 SDA下降沿 = Start
    scl_low();  i2c_delay();
}

void i2c_stop(void)
{
    sda_low();  scl_high(); i2c_delay();
    sda_high(); i2c_delay();  // SCL高时 SDA上升沿 = Stop
}

// 发送 1 字节，返回 ACK 状态（0=ACK, 1=NACK）
uint8_t i2c_write_byte(uint8_t data)
{
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        (data & 0x80) ? sda_high() : sda_low();
        data <<= 1;
        scl_high(); i2c_delay();
        scl_low();  i2c_delay();
    }
    // 读取 ACK
    sda_high();
    scl_high(); i2c_delay();
    uint8_t ack = sda_read();
    scl_low();  i2c_delay();
    return ack;
}

// 接收 1 字节，ack=0 发送ACK，ack=1 发送NACK
uint8_t i2c_read_byte(uint8_t ack)
{
    uint8_t data = 0;
    sda_high();  // 释放 SDA
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        scl_high(); i2c_delay();
        data = (data << 1) | sda_read();
        scl_low();  i2c_delay();
    }
    // 发送 ACK/NACK
    ack ? sda_high() : sda_low();
    scl_high(); i2c_delay();
    scl_low();  i2c_delay();
    sda_high();
    return data;
}

12.4.4 设备读写封装

// 向设备写入数据
uint8_t i2c_write_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg, uint8_t *data, uint8_t len)
{
    i2c_start();
    if (i2c_write_byte((dev_addr << 1) | 0x00)) { i2c_stop(); return 1; }
    if (i2c_write_byte(reg))                     { i2c_stop(); return 1; }
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        if (i2c_write_byte(data[i]))             { i2c_stop(); return 1; }
    }
    i2c_stop();
    return 0;
}

// 从设备读取数据
uint8_t i2c_read_reg(uint8_t dev_addr, uint8_t reg, uint8_t *data, uint8_t len)
{
    i2c_start();
    if (i2c_write_byte((dev_addr << 1) | 0x00)) { i2c_stop(); return 1; }
    if (i2c_write_byte(reg))                     { i2c_stop(); return 1; }
    i2c_start();  // Re-Start
    if (i2c_write_byte((dev_addr << 1) | 0x01)) { i2c_stop(); return 1; }
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = i2c_read_byte((i == len - 1) ? 1 : 0);
    }
    i2c_stop();
    return 0;
}

12.5 实验：I2C 总线扫描

扫描总线上所有地址，验证通信是否正常：

#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    char buf[64];
    uart_send_string("I2C Bus Scan:\r\n");

    uint8_t found = 0;
    for (uint8_t addr = 0x08; addr < 0x78; addr++) {
        i2c_start();
        uint8_t ack = i2c_write_byte((addr << 1) | 0x00);
        i2c_stop();

        if (ack == 0) {
            sprintf(buf, "  Device found at 0x%02X\r\n", addr);
            uart_send_string(buf);
            found++;
        }
    }

    sprintf(buf, "Scan complete. %u device(s) found.\r\n", found);
    uart_send_string(buf);

    while (1) { __WFI(); }
}

正常情况下应输出 OLED（0x3C）和 IMU 的地址。

扫描无结果排查

1. 确认 PA0/PA1 配置正确（Open Drain + Pull-Up）
2. 用万用表测 SDA/SCL 空闲电压应为 3.3V
3. 检查设备是否供电正常
4. 增大 i2c_delay 延时排除时序过快问题

12.6 总线恢复

如果通信中途被打断（如调试器复位），从机可能锁死 SDA。发送 9 个 SCL 脉冲可恢复：

void i2c_bus_recovery(void)
{
    sda_high();
    for (uint8_t i = 0; i < 9; i++) {
        scl_high(); i2c_delay();
        scl_low();  i2c_delay();
    }
    i2c_stop();
}

12.7 知识总结

内容	说明
信号线	SDA + SCL，2 线制
设备寻址	7-bit 地址，一总线多设备
电平结构	开漏 + 上拉电阻
天巧星引脚	PA0(SDA) / PA1(SCL)，2.2kΩ 上拉
实现方式	软件 I2C（GPIO 位模拟）
板载设备	OLED (0x3C) + IMU

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下一章将学习 SPI 协议，驱动天巧星板载的 W25Q64 Flash 存储芯片。