I²C全称为Inter-Integrated Circuit（内部集成电路），是一种常用的串行通信总线，通常用于嵌入式电子产品中。

在本系列第4篇《STM32学习笔记》中，我们将深入讨论I²C通信中可能会出现的错误情况。

I²C于1980年由飞利浦公司研发，旨在实现各种低速设备（如飞利浦芯片）之间的连接。至今，I²C仍然是最常用的通信总线之一，绝大部分MCU都内置有I²C控制器，在STM32微控制器中，至少有一个I²C控制器，有些型号甚至多达6个。

本文将会以STM32为例，介绍I²C通信中可能导致错误的情况。通过本文的学习，你将了解I²C协议、I²C通信过程、I²C在STM32中的实现方式，以及解决I²C通信中可能出现的各种问题的方法。

希望本篇学习笔记能够为你加深对I²C通信的理解，帮助你更好地应用I²C总线进行嵌入式开发。

STM32 I2C基础内容

I²C总线协议有多个版本，有的STM32遵循的是第2版本，有的是第3版本。所以，不同型号的 STM32 中I²C 可能存在一些差异，但基本功能相似。

1. 主从模式特性

主模式特性：

• 时钟生成
• 起始位和停止位生成

从模式特性：

• 可编程 I²C地址检测
• 双寻址模式，可对 2 个从地址应答
• 停止位检测

2. 通信速度

标准速度：高达 100 kHz

快速速度：高达 400 kHz

超快速度：高达 1 MHz（第3版）

3.寻址模式

• 7 位寻址模式
• 10 位双寻址模式
• 广播呼叫地址

4.收发模式

• 从发送器
• 从接收器
• 主发送器
• 主接收器

这些都是STM32 I²C 的基础功能，更多内容请查阅芯片对应的参考手册。

I2C 总线协议

I²C总线就两根线：SCL时钟信号，SDA数据信号。其中SCL由主机产生，SDA由主机或者从机产生。

I²C是同步串行通信，同一时间SDA只能由一个设备发送信号，也就是说它属于半双工通信。

I²C 总线协议可参考总线（SDA和SCL）的时序进行理解：

通常包含：起始位、数据/地址、ACK、结束位。

1. 开始和停止

在时钟线保持高的情况下，SDA数据线由高 -> 低：为总线开始条件；

在时钟线保持高的情况下，SDA数据线由低 -> 高：为总线结束条件；

2. 地址

I2C地址分7位和10位。

7位地址：

10位地址：

3. 应答（ACK）

应答（ACK）和非应答（NACK）发生在每个字节之后，是由接收方向发送方发出确认信号，表明数据已成功接收，并且可以继续发送下一字节数据。

I2C 总线协议更多内容可参看：

https://zh.wikipedia.org/wiki/I²C

https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf

STM32 I2C常见问题

I²C 总线通信，通常不会像CAN、USB这类总线添加一些复杂的（软件）通信协议。I²C 虽然硬件和协议简单，但在实际应用中还是经常出现各种问题。下面就来分析一下常见的问题。

问题一：IO模式不对

有些工程师对用于I²C 总线的GPIO不了解，写驱动代码时把总线（SDA、SCL）配置成推挽输出模式，导致应用上的异常。

I²C 总线是一种特殊的总线，因为多器件需共用总线，加上数据线需支持双向通信。SDA要求开漏输出模式。由于开漏无法直接输出“高”时，需外加上拉电阻配合。

解决办法：STM32的IO有8种应用模式，如果你通过软件模拟I²C，并将SDA配置为开漏输出模式，配合上拉电阻。这往往适用于主模式器件。如果使用硬件I²C，则需要配置成开漏复用功能。建议使用STM32CubeMX工具配置底层初始化代码。

问题二：总线电压不匹配

I²C 总线电压通常为3.3V或5V。有的I²C C总线上挂的设备比较多，有可能存在特殊电压，比如2.5V，或者3.3V不兼容5V，就容易引起信号辨识错误导致总线通信失败的情况。

解决办法：如果存在电压不匹配的情况，需要从硬件方面来解决，比如：通过专业转换模块。

问题三：软件检测死机

I²C 总线一般通过ACK信号来判断总线的情况，STM32实现I²C 收发、检测等操作是由内部控制器自动完成。

然而由于一些外部因素，比如干扰信号、电压不匹配等，容易引起总线上的信号不正常，从而导致检测失败，通信失败。

解决办法：解决这种因异常引起的死机，除了从硬件方面做调整外，也可以从软件入手，常见的做法是添加超时处理机制，不要让程序一直死等检测应答信号。

比方当发送超时情形时，可以尝试复位STM32 I2C外设或相关设备。

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