I2C (Inter-Integrated Circuit) 是一种多主从、半双工、同步串行通信协议，由 Philips Semiconductors (现 NXP) 在 1982 年开发。它以其简单的两线接口（SDA 和 SCL）而闻名，广泛应用于微控制器和各种外设之间进行短距离、中低速的数据交换。I2C 协议因其引脚少、易于扩展等特点，在传感器、EEPROM、LCD 驱动器、实时时钟等众多嵌入式系统中扮演着重要角色。

核心思想：基于两条线（SDA、SCL）实现多主多从通信，通过设备地址进行寻址，并有应答机制确保数据传输可靠性。 线材少、可扩展性强，但速度相对较慢。

一、I2C 协议概述

I2C 是一种多主多从 (Multi-Master, Multi-Slave) 架构的通信协议，允许总线上有多个主设备和多个从设备。

  • 主设备 (Master)：发起和终止通信，生成时钟信号 (SCL)，并向从设备发送或请求数据。
  • 从设备 (Slave)：响应主设备的请求，根据分配的唯一地址进行通信。

主要特点：

  1. 两线接口：仅需要两条线——SDA (串行数据线) 和 SCL (串行时钟线)。
  2. 多主多从：同一总线上可以挂载多个主设备和多个从设备。
  3. 同步 (Synchronous)：通信由一个共享的时钟信号 (SCL) 进行同步。
  4. 半双工 (Half-Duplex)：数据只能在一个方向上传输（要么主设备发送，要么从设备发送），不能同时双向传输。
  5. 基于地址寻址：每个从设备在总线上都有一个唯一的 7 位或 10 位地址，主设备通过地址选择目标从设备。
  6. 具应答 (ACK) 机制：每次发送一个字节后，接收方会发送一个应答信号 (ACK) 或非应答信号 (NACK)，以确认数据是否成功接收。
  7. 速度模式：支持多种速度模式，如标准模式 (100 kbps)、快速模式 (400 kbps)、快速模式+ (1 Mbps)、高速模式 (3.4 Mbps) 等。

二、I2C 接口的两条线

I2C 通信的核心是两条线：

  1. SDA (Serial Data Line)：串行数据线。用于双向传输数据。
  2. SCL (Serial Clock Line)：串行时钟线。由 Master 生成，用于同步数据传输。

两条线都必须连接到上拉电阻 (Pull-up Resistor)。当总线空闲时，SDA 和 SCL 均为高电平。这使得 I2C 成为开漏 (Open-Drain) 或 开集 (Open-Collector) 总线。

I2C 连接示意图:

上拉电阻的作用：

  • 确保当设备不驱动总线时，线路保持高电平。
  • 允许多个设备共同驱动总线（开漏输出）。当任何一个设备将线路拉低时，线路就为低电平；所有设备都释放线路时，线路通过上拉电阻恢复高电平。这实现了“线与”逻辑。

三、I2C 通信协议细节

I2C 通信遵循特定的时序和数据组织结构。

3.1 传输步骤概览

一个完整的 I2C 传输通常包含以下步骤：

  1. 起始条件 (START Condition)
  2. 发送从设备地址和读写位
  3. 接收方发送应答 (ACK) / 非应答 (NACK)
  4. 数据传输（Master 发送 / Master 接收）
  5. 接收方发送应答 (ACK) / 非应答 (NACK)
  6. 停止条件 (STOP Condition)

3.2 起始和停止条件

  • 起始条件 (START)：当 SCL 为高电平时，SDA 从高电平变为低电平。这是主设备开始通信的信号。
  • 停止条件 (STOP)：当 SCL 为高电平时，SDA 从低电平变为高电平。这是主设备结束通信的信号。

3.3 数据传输

  • 数据有效性：当 SCL 为高电平期间，SDA 上的数据必须保持稳定。只有在 SCL 为低电平期间，SDA 上的数值才能改变（数据位从 Master 移位到 Slave，或反之）。
  • 字节传输：数据以 8 位字节的形式传输，每次传输一个字节。
  • 应答 (ACK) / 非应答 (NACK)：在每个 8 位字节传输完成后，发送方会释放 SDA 线，接收方在第 9 个时钟脉冲期间拉低 SDA 作为应答 (ACK)。如果接收方没有拉低 SDA，则表示非应答 (NACK)，通常意味着接收失败、设备忙或不支持该命令。

数据传输时序图 (单字节写入为例):

3.4 从设备地址和读写位

在起始条件之后，主设备会发送一个字节，其中包含：

  • 7 位从设备地址：用于唯一标识总线上的目标从设备。
  • 1 位读写位 (R/W#)：
    • 0 表示主设备要写入（发送）数据到从设备。
    • 1 表示主设备要读取（接收）数据从从设备。

所以，第一个传输的字节实际上是 [Slave Address (7 bits)][R/W# (1 bit)]。

3.5 10 位地址模式 (扩展)

除了标准的 7 位地址，I2C 也支持 10 位地址寻址，以允许更多的设备连接。10 位地址模式通过特定的前缀字节来区分。

四、I2C 的优缺点

4.1 优点：

  1. 引脚数量少：只需要 SDA 和 SCL 两根线，节省了微控制器的 I/O 资源和 PCB 走线空间。
  2. 多主多从：支持多个主设备和多个从设备在同一总线上通信，系统扩展性强。
  3. 地址寻址：通过设备地址选择通信目标，方便管理多个从设备。
  4. 应答机制：提供数据传输的可靠性确认，接收方发送 ACK/NACK。
  5. 软件实现简单：相对于一些更复杂的协议，I2C 容易用软件模拟实现。

4.2 缺点：

  1. 速度相对慢：标准模式下只有 100 kbps，快速模式也只有 400 kbps，不如 SPI 协议快。
  2. 复杂性较高：时序相对 SPI 复杂，需要处理起始/停止条件、地址寻址、应答位等。
  3. 总线电容和上拉电阻选择：对总线电容敏感，在长距离或高速模式下，选择合适的上拉电阻值变得重要，且可能需要更强的驱动能力。
  4. 没有片选线：由于依靠地址寻址，如果两个 I2C 设备具有相同的地址，则无法在同一总线上使用。
  5. 半双工通信：无法同时发送和接收数据。

五、I2C 的应用场景

I2C 在各种嵌入式应用中广泛使用，尤其是在需要连接多个低速外设的场合：

  • 传感器：温度传感器、湿度传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计等。
  • 存储器：EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)。
  • 实时时钟 (RTC)。
  • LCD/OLED 屏幕控制器。
  • I/O 扩展器：通过 I2C 控制额外的 GPIO。
  • 电源管理芯片。
  • ADC/DAC (模数/数模转换器)。

六、I2C 编程示例 (Arduino / Go - TinyGo)

6.1 Arduino (C++) 示例 (Master 发送数据到 Slave)

Arduino IDE 为 I2C 通信提供了方便的 Wire 库。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
#include <Wire.h> // 引入 Wire 库

// 假设从设备地址为 0x27 (常见的 LCD I2C 模块地址)
const int SLAVE_ADDRESS = 0x27;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin(); // 初始化 I2C 总线，作为 Master
  Serial.println("I2C Master init complete.");
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS); // 开始与从设备通信，指定地址

  // 发送数据
  Wire.write("Hello I2C!"); // 发送字符串
  Wire.write(0x0A);         // 发送一个字节 (换行符)

  // 结束传输，发送停止条件
  // 返回值：
  // 0: success
  // 1: data too long to fit in transmit buffer
  // 2: received NACK on transmit of address
  // 3: received NACK on transmit of data
  // 4: other error
  byte status = Wire.endTransmission(); 

  if (status == 0) {
    Serial.println("Data sent successfully.");
  } else {
    Serial.print("Error sending data, status: ");
    Serial.println(status);
  }

  delay(2000); // 每2秒发送一次
}

6.2 TinyGo (Go) on ESP32 示例 (Master 读写数据)

TinyGo 同样提供了 machine 包来控制 I2C 外设。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
package main

import (
	"machine"
	"time"
)

// 定义 I2C 通信引脚和从设备地址
const (
	I2C_SDA = machine.GPIO21 // ESP32 默认 SDA
	I2C_SCL = machine.GPIO22 // ESP32 默认 SCL
	SLAVE_ADDR = 0x27 // 假设的从设备地址
)

var (
	i2c = machine.I2C0 // 使用 I2C0 接口
)

func main() {
	machine.InitSerial() // 初始化串口用于调试输出

	// 配置 I2C 外设
	i2c.Configure(machine.I2CConfig{
		SDA:       I2C_SDA,
		SCL:       I2C_SCL,
		Frequency: machine.I2C400kHz, // 设置为快速模式 400kHz
	})

	println("I2C Master init complete. Scanning...")

	// I2C 设备扫描 (可选，用于发现总线上的设备)
	scanI2CDevices()

	// 写入数据示例
	writeData := []byte("Hello from TinyGo!")
	err := i2c.Tx(uint16(SLAVE_ADDR), writeData, nil) // 写操作: address, data_to_write, data_to_read
	if err != nil {
		println("I2C Write Error:", err.Error())
	} else {
		println("Data '", string(writeData), "' sent to 0x", byteToHex(SLAVE_ADDR), " successfully.")
	}

	time.Sleep(2 * time.Second)

	// 读取数据示例 (这里假设从设备在写入后立即发送数据，实际情况会先写寄存器地址再读)
    // 通常从一个特定寄存器读取，例如先发送寄存器地址，再读取
    // 假设我们要读取一个字节作为示例
    readBuf := make([]byte, 1)
    err = i2c.Tx(uint16(SLAVE_ADDR), nil, readBuf) // 读操作: address, nil, data_to_read
    if err != nil {
        println("I2C Read Error:", err.Error())
    } else {
        println("Data 0x", byteToHex(readBuf[0]), " recieved from 0x", byteToHex(SLAVE_ADDR), " successfully.")
    }


	for {
		time.Sleep(5 * time.Second)
	}
}

// 辅助函数：将 byte 转换为十六进制字符串
func byteToHex(b byte) string {
	hex := "0123456789ABCDEF"
	return string(hex[b>>4]) + string(hex[b&0x0F])
}

// 辅助函数：扫描 I2C 设备
func scanI2CDevices() {
	println("Scanning I2C bus for devices...")
	for addr := uint16(1); addr < 127; addr++ { // 7位地址范围
		// 尝试进行空写操作，看是否有设备响应
		err := i2c.Tx(addr, nil, nil)
		if err == nil {
			println("Found I2C device at address 0x", byteToHex(byte(addr)))
		}
	}
	println("I2C scan complete.")
}

七、总结

I2C 协议以其简单的两线接口、多主多从能力和地址寻址机制，在嵌入式系统中广泛应用于连接各种外设。它提供了可靠的数据传输，但速度相对较慢，且对总线电容和上拉电阻的选择有一定的要求。在进行 I2C 开发时，理解其起始/停止条件、设备地址、读写位和应答机制至关重要。正确配置总线和选择合适的设备地址，将确保设备间的稳定通信。