4. I2C与SPI总线通信：驱动OLED与传感器

通信协议是嵌入式系统的“神经”。ESP32 集成了多个 I2C 和 SPI 硬件控制器，用起来很方便。但很多初学者在这上面栽过跟头——时序不对、地址错误、电平不匹配。今天咱们就把这两个协议彻底讲透。

4.1 I2C 与 SPI 协议深度对比

先说说我个人的选择习惯。如果项目里只有一两个传感器，对速度要求不高，我肯定选 I2C——省引脚。但如果是驱动 TFT 彩屏或者高速 ADC，SPI 是唯一选择。

4.2 驱动 SSD1306 OLED 屏幕

SSD1306 是市面上最常见的 128×64 单色 OLED 驱动芯片。它同时支持 I2C 和 SPI 两种接口。我个人更推荐用 I2C——少接 2 根线，代码也更简洁。

4.2.1 硬件连接

4.2.2 代码实现（I2C 模式）

使用 ESP-IDF 的 I2C 驱动库，配合 SSD1306 的初始化序列。核心代码就这几步：

// 1. 配置 I2C 参数
i2c_config_t conf = {
    .mode = I2C_MODE_MASTER,
    .sda_io_num = 21,
    .scl_io_num = 22,
    .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
    .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
    .master.clk_speed = 400000  // 400kHz
};
i2c_param_config(I2C_NUM_0, &conf);
i2c_driver_install(I2C_NUM_0, conf.mode, 0, 0, 0);

// 2. 发送初始化命令序列
uint8_t init_cmds[] = {
    0xAE, // 关闭显示
    0xD5, 0x80, // 设置时钟分频
    0xA8, 0x3F, // 设置多路复用比
    0xD3, 0x00, // 设置显示偏移
    0x40,       // 设置显示起始行
    0x8D, 0x14, // 启用电荷泵
    0x20, 0x00, // 设置内存寻址模式
    0xA1,       // 段重映射
    0xC8,       // COM扫描方向
    0xDA, 0x12, // 设置COM引脚配置
    0x81, 0xCF, // 设置对比度
    0xD9, 0xF1, // 设置预充电周期
    0xDB, 0x40, // 设置VCOMH取消选择级别
    0xA4,       // 全局显示开启
    0xA6,       // 正常显示（非反相）
    0xAF        // 开启显示
};

// 3. 写命令函数
void ssd1306_write_cmd(uint8_t cmd) {
    i2c_cmd_handle_t cmd_handle = i2c_cmd_link_create();
    i2c_master_start(cmd_handle);
    i2c_master_write_byte(cmd_handle, (0x3C << 1) | I2C_MASTER_WRITE, true);
    i2c_master_write_byte(cmd_handle, 0x00, true); // 控制字节：命令
    i2c_master_write_byte(cmd_handle, cmd, true);
    i2c_master_stop(cmd_handle);
    i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd_handle, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    i2c_cmd_link_delete(cmd_handle);
}

// 4. 写数据函数（显示内容）
void ssd1306_write_data(uint8_t *data, size_t len) {
    i2c_cmd_handle_t cmd_handle = i2c_cmd_link_create();
    i2c_master_start(cmd_handle);
    i2c_master_write_byte(cmd_handle, (0x3C << 1) | I2C_MASTER_WRITE, true);
    i2c_master_write_byte(cmd_handle, 0x40, true); // 控制字节：数据
    i2c_master_write(cmd_handle, data, len, true);
    i2c_master_stop(cmd_handle);
    i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd_handle, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    i2c_cmd_link_delete(cmd_handle);
}

4.3 驱动 MPU6050 六轴传感器

MPU6050 集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，是平衡车、姿态检测项目的首选。它使用 I2C 接口，地址为 0x68（AD0 接地时）。

4.3.1 初始化与配置

// MPU6050 寄存器地址
#define MPU6050_ADDR         0x68
#define MPU6050_PWR_MGMT_1   0x6B
#define MPU6050_ACCEL_XOUT_H 0x3B
#define MPU6050_GYRO_XOUT_H  0x43

// 初始化 MPU6050
void mpu6050_init() {
    // 唤醒传感器（退出休眠模式）
    uint8_t data = 0x00;
    mpu6050_write_reg(MPU6050_PWR_MGMT_1, &data, 1);
    vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
    
    // 配置陀螺仪量程：±250°/s（默认）
    // 配置加速度计量程：±2g（默认）
}

// 读取原始数据
void mpu6050_read_raw(int16_t *accel, int16_t *gyro) {
    uint8_t buf[14];
    mpu6050_read_reg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H, buf, 14);
    
    // 加速度计数据（高字节在前）
    accel[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];  // X轴
    accel[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];  // Y轴
    accel[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];  // Z轴
    
    // 温度数据（可选）
    // int16_t temp = (buf[6] << 8) | buf[7];
    
    // 陀螺仪数据
    gyro[0] = (buf[8] << 8) | buf[9];   // X轴
    gyro[1] = (buf[10] << 8) | buf[11]; // Y轴
    gyro[2] = (buf[12] << 8) | buf[13]; // Z轴
}

4.3.2 数据校准与滤波

原始数据直接拿来用？不行。MPU6050 有零偏误差，需要校准。我的做法是：

1. 静态校准： 传感器静止时，采集 100 组数据取平均，得到零偏值。
2. 动态滤波： 使用互补滤波器融合加速度计和陀螺仪数据，得到稳定的角度。

// 互补滤波器计算角度
float complementary_filter(float acc_angle, float gyro_rate, float dt) {
    static float angle = 0.0f;
    const float alpha = 0.98f;  // 权重系数
    
    // 陀螺仪积分 + 加速度计修正
    angle = alpha * (angle + gyro_rate * dt) + (1 - alpha) * acc_angle;
    return angle;
}

4.4 总线调试技巧

通信出问题怎么办？别慌，按这个顺序排查：

嗯，到这里 I2C 和 SPI 的核心内容就讲完了。记住：协议是死的，应用是活的。多动手、多抓波形，你很快就能成为总线通信的老手。