STM32学习笔记：IIC接口使用深度解析

一、引言：嵌入式世界的“神经末梢”

I²C（Inter-Integrated Circuit）总线由飞利浦（现恩智浦）于1982年设计，已成为低速设备通信的工业标准。在STM32开发中，IIC因仅需两根线即可连接128个设备（7位地址）的特性，被广泛用于传感器、EEPROM、RTC等外设。本文将带您从协议本质出发，深入剖析STM32硬件IIC与软件模拟方案，并分享解决总线锁死、时序配置等核心难题的实战经验。

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二、IIC协议核心精要

1. 物理层设计规范

特性	参数要求	STM32注意事项
信号线	SDA（数据线）、SCL（时钟线）	必须配置为开漏输出+外部上拉
上拉电阻	1KΩ~10KΩ（3.3V系统）	阻值过大会导致上升沿缓慢
空闲状态	SDA=SCL=高电平	总线初始化后自动进入空闲
电平兼容	3.3V/5V设备共存	需使用TXS0108E等电平转换芯片

2. 关键时序解析

// 典型IIC数据帧结构
[Start] + [Addr+W] + [ACK] + [Reg_Addr] + [ACK] + [Data] + [ACK] + [Stop]
         |─── 主设备写操作 ───|          |─── 数据传输 ───|

• 起始条件：SCL高电平时SDA由高→低
• 停止条件：SCL高电平时SDA由低→高
• 数据有效性：SCL高电平期间SDA必须稳定
• ACK机制：每字节后接收方在第9个时钟周期拉低SDA

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三、STM32硬件IIC深度配置

1. CubeMX配置流程

1. 使能I2C外设（如I2C1）
2. 引脚模式：Alternate Function Open Drain
3. 配置时序寄存器TIMINGR（核心难点！）

2. 时序寄存器计算秘籍

TIMINGR = (PRESC << 28) | (SCLDEL << 20) | (SDADEL << 16) | (SCLH << 8) | SCLL

/* 100kHz配置示例（APB1=48MHz）*/
uint32_t CalcI2CTiming(uint32_t clock_src_hz, uint32_t i2c_freq_hz) {
  uint32_t presc = 3;  // 预分频系数
  uint32_t t_sync = 2; // 同步时间
  uint32_t period = (clock_src_hz / (presc + 1)) / i2c_freq_hz;
  
  return (presc << 28) | 
         (t_sync << 20) | 
         (t_sync << 16) | 
         ((period/2) << 8) | 
         (period/2);
}
// 调用：hi2c1.Init.Timing = CalcI2CTiming(48000000, 100000);

3. HAL库关键函数实战

// 写入AT24C02 EEPROM（页写自动处理）
uint8_t data[] = {0x12,0x34};
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, 0x01, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 2, 100);

// 带超时的设备检测
if(HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, 0xA0, 3, 100) == HAL_OK) {
  // 设备在线
}

// 中断+DMA传输（大数据量优化）
HAL_I2C_Mem_Write_DMA(&hi2c1, 0xA0, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT, buffer, 256);

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四、软件模拟IIC（GPIO模拟）

1. 核心函数实现

// SDA引脚方向控制（关键技巧）
#define SDA_IN()  {GPIOB->MODER &= ~(3<<(7*2)); GPIOB->MODER |= (0<<7*2);}
#define SDA_OUT() {GPIOB->MODER &= ~(3<<(7*2)); GPIOB->MODER |= (1<<7*2);}

void IIC_Delay(void) {
  for(uint8_t i=0;i<10;i++); // 根据CPU频率调整
}

void IIC_SendACK(bool ack) {
  SDA_OUT();
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_7, ack?GPIO_PIN_RESET:GPIO_PIN_SET);
  IIC_Delay();
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET); // SCL高
  IIC_Delay();
}

2. 性能对比表

指标	硬件IIC (100kHz)	软件IIC (50kHz)
CPU占用率	<5%	>70%
时序精度	±1%	±20%
多主机支持	是	否
代码复杂度	低	高

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五、经典实战案例

1. SHT30温湿度传感器驱动

// 发送测量命令
uint8_t cmd[2] = {0x24, 0x00}; // 高精度模式
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x44<<1, cmd, 2, 100);

// 读取数据（带CRC校验）
uint8_t data[6];
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (0x44<<1)|0x01, data, 6, 100);
if(CheckCRC(data,2) && CheckCRC(data+3,2)) {
  float temp = -45 + 175*(data[0]<<8|data[1])/65535.0;
  float hum = 100*(data[3]<<8|data[4])/65535.0;
}

2. AT24C256跨页写入算法

void EEPROM_WritePage(uint16_t addr, uint8_t* data, uint16_t len) {
  while(len > 0) {
    uint8_t chunk = 64 - (addr % 64); // 计算当前页剩余空间
    if(chunk > len) chunk = len;
    
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, addr, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT, 
                     data, chunk, 100);
    
    // 等待写入完成（典型5ms）
    while(HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, 0xA0, 10, 100) != HAL_OK);
    
    addr += chunk;
    data += chunk;
    len -= chunk;
  }
}

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六、调试技巧与深度排雷

1. 总线锁死终极解决方案

现象：SCL被拉低导致系统卡死
根因：从设备时钟延展过长或总线冲突

// 硬件复位电路（推荐方案）
  SCL   ────►|◄─10K─┐
              │     NPN
              ├─────┤ B 
              │     E ─── GND
              └─10K─┘
              MCU_IO

// 软件恢复序列（F4系列实测有效）
void IIC_Recovery() {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  // 1. 配置SCL为开漏输出
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
  
  // 2. 发送9个时钟脉冲
  for(int i=0; i<9; i++) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);
    DelayUs(5);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET);
    DelayUs(5);
  }
  
  // 3. 发送停止条件
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);
  DelayUs(5);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
  
  // 4. 重新初始化I2C
  MX_I2C1_Init();
}

2. 逻辑分析仪诊断要点

• 起始信号异常：检查SCL高电平时SDA下降沿
• ACK缺失：第9时钟周期SDA未拉低
• 数据抖动：SCL高电平期间SDA跳变
• 典型故障波形：

  SCL: _┐┌_┐┌_┐┌_┐________________  // 从设备拉低SCL导致锁死
  SDA: _~~__~~__~~__~~____________  // 数据线出现抖动
  

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七、进阶优化策略

1. 多主机仲裁机制

当两个主机同时发送：

• 检测SDA电平与自身输出是否一致
• 发现冲突的主机立即转为从模式
• STM32硬件自动处理仲裁丢失（标志位ARLO）

2. F1与F4系列IIC差异

特性	STM32F1	STM32F4+
时钟延展	部分型号不支持	全系列支持
DMA触发	需手动清除标志	自动链式传输
超时检测	无硬件超时	内置12位超时计数器

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结语

掌握STM32 IIC需理解其双刃剑特性：硬件IIC高效但配置复杂，软件模拟灵活却消耗CPU资源。建议：

1. 优先使用硬件IIC并深入理解TIMINGR配置
2. 必须添加总线锁死保护机制
3. 超过10字节传输启用DMA
4. 关键系统使用逻辑分析仪验证时序

技术文档下载：
[STM32 IIC时序计算表.xlsx]
[IIC协议标准手册.pdf]