STM32 I2C驱动开发全解析：从理论到实战 | 零基础入门STM32第五十步

师从洋桃电子，杜洋老师

▲ 回顾上期🔍STM32入门之I2C总线应用详解（附LM75A温度传感器实战） | 零基础入门STM32第四十九步

引言

I2C总线是嵌入式系统中广泛使用的通信协议，具有接线简单、多设备共享总线等优点。本文将深入解析STM32的I2C驱动开发，通过分层架构设计、代码逐行分析和实战案例演示，帮助开发者快速掌握I2C通信的核心技术。

一、I2C驱动分层架构

1. 硬件抽象层（HAL）
   ST官方提供的固件库（如stm32f10x_i2c.c），直接操作寄存器实现基础功能。
2. 总线驱动层
   封装I2C协议的核心操作（发送/接收数据），提供I2C_Configuration()等接口。
3. 器件驱动层
   针对具体外设（如LM75A温度传感器）的驱动实现。
4. 用户应用层
   调用驱动函数实现业务逻辑，如温度显示。

二、I2C总线驱动代码精析

2.1 初始化配置（i2c.c）

void I2C_Configuration(void) {
    // GPIO配置：SCL=PB6, SDA=PB7
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;  // 复用开漏模式
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    // I2C参数配置
    I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 100000;       // 100kHz标准模式
    I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 时钟占空比
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct);
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);                        // 使能I2C
}

• 关键点：
  • GPIO必须配置为复用开漏模式（支持总线仲裁）
  • 时钟速度需匹配从机设备（如LM75A支持400kHz）

2.2 数据发送函数（I2C_SAND_BUFFER）

void I2C_SAND_BUFFER(u8 SlaveAddr, u8 WriteAddr, u8* pBuffer, u16 NumByteToWrite) {
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);              // 发送起始信号
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); // 等待EV5
    
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, SlaveAddr, I2C_Direction_Transmitter); // 发送设备地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); // 等待EV6
    
    I2C_SendData(I2C1, WriteAddr);                // 发送寄存器地址
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)); // 等待EV8
    
    while(NumByteToWrite--) {                     // 循环发送数据
        I2C_SendData(I2C1, *pBuffer++);
        while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
    }
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);               // 发送停止信号
}

• 协议流程：
  1. 起始信号 → 2. 发送地址+写方向 → 3. 发送寄存器地址 → 4. 发送数据 → 5. 停止信号

2.3 数据接收函数（I2C_READ_BUFFER）

三、总线速度配置原理

在i2c.h中定义总线速率：

#define BusSpeed 200000  // 200kHz

• 计算公式：

$$\text{SCL频率}=\frac{\text{APB1时钟频率}}{2\times (\text{I2C\_ClockSpeed}+1)}$$

• 注意事项：
  • APB1时钟需在初始化时正确配置（默认为36MHz）
  • 实际速率可通过示波器测量SCL引脚验证

四、用户应用实战（main.c）

int main(void) {
    u8 tempData[3];
    I2C_Configuration();          // 初始化I2C
    TM1640_Init();                // 初始化显示模块
    
    while(1) {
        LM75A_GetTemp(tempData);  // 读取温度
        // 显示温度值（示例代码略）
        delay_ms(200);            // 控制采样频率
    }
}

• 调用链：
  main() → LM75A_GetTemp() → I2C_READ_BUFFER() → 硬件寄存器操作

五、器件驱动开发（LM75A示例）

5.1 温度读取函数

void LM75A_GetTemp(u8 *Tempbuffer) {
    u8 rawData[2];
    I2C_READ_BUFFER(LM75A_ADD, 0x00, rawData, 2); // 读取原始数据
    
    // 数据解析（示例）
    int16_t temp = (rawData[0] << 8) | rawData[1];
    temp = temp >> 5;  // 有效数据为11位
    *Tempbuffer = temp * 0.125;  // 转换为实际温度值
}

• 关键参数：
  • LM75A_ADD = 0x9E（包含R/W位）
  • 温度数据为16位（高11位有效）

六、常见问题排查指南

七、进阶优化技巧

1. DMA传输
   使用DMA减少CPU占用：

   I2C_DMACmd(I2C1, I2C_DMAReq_Tx | I2C_DMAReq_Rx, ENABLE);
   

2. 错误恢复机制
   检测总线忙状态时自动复位：

   if(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY)) {
       I2C_SoftwareResetCmd(I2C1, ENABLE);
       I2C_SoftwareResetCmd(I2C1, DISABLE);
   }
   

八、相关资源

[1] 洋桃电子B站课程-STM32入门100步
[2] STM32F103xx官方数据手册
[3] STM32F103X8-B数据手册（中文）
[4] STM32F103固件函数库用户手册（中文）
[5] I2C总线规范（中文）
[6] LM75（温度传感器）数据手册+编程说明+应用
[7] 温度传感器数码管显示程序
[8] I2C驱动程序分析.pptx

总结

本文从STM32的I2C驱动架构出发，详细解析了总线初始化、数据收发和速度配置的实现原理，并结合LM75A温度传感器展示了实际应用场景。掌握以下核心要点：

1. 分层架构设计提升代码可维护性
2. 严格遵循I2C协议时序
3. 合理配置总线速率匹配外设
4. 善用调试工具（如逻辑分析仪）验证通信波形

通过理论结合实践的方式，开发者能够快速构建稳定可靠的I2C通信系统。

📌 下期预告：下一期将探讨LM75A驱动程序分析，欢迎持续关注！

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实测开发版：洋桃1号开发版（基于STM32F103C8T6）
更新日志：

• v1.0 初始版本（2025-03-07）