📚 课程目录第4章 I2C总线通信

4. I2C 总线通信：从原理到实战

I2C 总线，说实话，是嵌入式开发里最常用的串行通信协议之一。它只用两根线——SCL（时钟）和 SDA（数据），就能挂载多个设备。我刚开始接触时也觉得神奇，两根线怎么搞定所有通信？后来才明白，靠的就是协议本身的严谨设计。

这一章，我会带你从 I2C 协议的核心原理讲起，再到 ESP-IDF 的驱动配置，最后用 EEPROM 读写实战收尾。多设备总线仲裁这块，我也会分享一些实际项目中的踩坑经验。

4.1 I2C 协议原理：两根线的艺术

I2C 是同步、半双工的通信协议。主机产生时钟，从机响应。每次通信都以「起始条件」开始，以「停止条件」结束。

核心信号定义：

起始条件 (S)：SCL 高电平时，SDA 从高切换到低
停止条件 (P)：SCL 高电平时，SDA 从低切换到高
数据有效：SCL 高电平时，SDA 必须稳定；SCL 低电平时，SDA 可以变化
应答 (ACK)：每字节后接收方拉低 SDA 表示确认

为什么需要应答机制？说白了，就是为了让发送方知道数据是否被正确接收。我曾经在一个项目中，因为从机地址写错，主机一直收不到 ACK，整个系统卡在 I2C 中断里出不来。嗯，从那以后我写 I2C 驱动一定会加超时处理。

I2C 的地址有 7 位和 10 位两种。7 位地址最多挂 128 个设备，但实际要留一些保留地址，所以一般能挂 100 多个。10 位地址兼容 7 位，但用得不多。

特性	标准模式	快速模式	高速模式
最大速率	100 kbps	400 kbps	3.4 Mbps
最大总线电容	400 pF	400 pF	100 pF
上拉电阻	4.7 kΩ 左右	2.2 kΩ 左右	1 kΩ 左右

我个人习惯在 ESP32 上用 400 kbps 的快速模式，兼顾速度和稳定性。如果走线太长，我会降到 100 kbps。

4.2 ESP-IDF I2C 驱动配置

ESP-IDF 的 I2C 驱动封装得不错，但配置项不少。我建议你从 i2c_config_t 结构体入手。

#include "driver/i2c.h"

#define I2C_MASTER_SCL_IO    22      // GPIO 编号
#define I2C_MASTER_SDA_IO    21      // GPIO 编号
#define I2C_MASTER_NUM       0       // I2C 端口号
#define I2C_MASTER_FREQ_HZ   400000  // 400 kHz

void i2c_master_init(void) {
    i2c_config_t conf = {
        .mode = I2C_MODE_MASTER,
        .sda_io_num = I2C_MASTER_SDA_IO,
        .scl_io_num = I2C_MASTER_SCL_IO,
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .master.clk_speed = I2C_MASTER_FREQ_HZ,
    };
    i2c_param_config(I2C_MASTER_NUM, &conf);
    i2c_driver_install(I2C_MASTER_NUM, conf.mode, 0, 0, 0);
}

小提示： 如果你的板子外部已经有上拉电阻，可以把 sda_pullup_en 和 scl_pullup_en 设为 GPIO_PULLUP_DISABLE，避免内部上拉和外部上拉并联导致电阻过小。

配置完成后，就可以用 i2c_master_write_to_device() 和 i2c_master_read_from_device() 这两个封装好的 API 了。它们内部处理了起始、停止、应答等细节。

但如果你需要更灵活的控制，比如连续读写、带子地址的访问，那就得用 i2c_cmd_handle_t 来构建命令链路。

esp_err_t i2c_write_byte(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
    i2c_cmd_handle_t cmd = i2c_cmd_link_create();
    i2c_master_start(cmd);
    i2c_master_write_byte(cmd, (dev_addr << 1) | I2C_MASTER_WRITE, true);
    i2c_master_write_byte(cmd, reg_addr, true);
    i2c_master_write_byte(cmd, data, true);
    i2c_master_stop(cmd);
    esp_err_t ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, pdMS_TO_TICKS(1000));
    i2c_cmd_link_delete(cmd);
    return ret;
}

注意： 命令链路创建后一定要记得删除，否则会造成内存泄漏。我见过有人把 i2c_cmd_link_delete 放在条件判断后面，结果某些路径下没执行到，内存越用越多。

4.3 读写 EEPROM 实战

EEPROM 是 I2C 设备里最典型的代表。以 AT24C02 为例，容量 256 字节，地址 0x50（7 位）。

写操作分两种：字节写和页写。AT24C02 的页大小是 8 字节。页写时要注意地址不能跨页，否则数据会回绕覆盖。我曾经踩过这个坑，写入 16 字节数据，结果只成功了前 8 个，后面的把前面的覆盖了。

esp_err_t eeprom_write_page(uint8_t dev_addr, uint8_t mem_addr, uint8_t *data, size_t len) {
    // 检查是否跨页
    if ((mem_addr + len - 1) / 8 != mem_addr / 8) {
        return ESP_ERR_INVALID_SIZE;
    }
    i2c_cmd_handle_t cmd = i2c_cmd_link_create();
    i2c_master_start(cmd);
    i2c_master_write_byte(cmd, (dev_addr << 1) | I2C_MASTER_WRITE, true);
    i2c_master_write_byte(cmd, mem_addr, true);
    i2c_master_write(cmd, data, len, true);
    i2c_master_stop(cmd);
    esp_err_t ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, pdMS_TO_TICKS(1000));
    i2c_cmd_link_delete(cmd);
    // 等待 EEPROM 内部写入完成（最多 5ms）
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5));
    return ret;
}

读操作就简单多了。先写要读的内存地址，再重新发起起始条件，切换为读模式。

esp_err_t eeprom_read_bytes(uint8_t dev_addr, uint8_t mem_addr, uint8_t *buf, size_t len) {
    i2c_cmd_handle_t cmd = i2c_cmd_link_create();
    // 先写地址
    i2c_master_start(cmd);
    i2c_master_write_byte(cmd, (dev_addr << 1) | I2C_MASTER_WRITE, true);
    i2c_master_write_byte(cmd, mem_addr, true);
    // 重新起始，切换读
    i2c_master_start(cmd);
    i2c_master_write_byte(cmd, (dev_addr << 1) | I2C_MASTER_READ, true);
    if (len > 1) {
        i2c_master_read(cmd, buf, len - 1, I2C_MASTER_ACK);
    }
    i2c_master_read_byte(cmd, &buf[len - 1], I2C_MASTER_NACK);
    i2c_master_stop(cmd);
    esp_err_t ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, pdMS_TO_TICKS(1000));
    i2c_cmd_link_delete(cmd);
    return ret;
}

关键点： 最后一个字节要发 NACK，告诉从机不要再发了。否则从机会继续输出数据，导致总线冲突。

4.4 多设备总线仲裁

I2C 支持多主机，但同一时刻只能有一个主机控制总线。如果两个主机同时发起通信，就会发生仲裁。

仲裁的规则很简单：谁先拉低 SDA，谁就赢得总线。输的一方要释放总线，等待下次机会。你想想看，这其实是一种「线与」逻辑——只要有一个设备拉低，总线就是低电平。

在实际项目中，多主机场景不多见。更常见的是多个从机挂在同一总线上。这时候要注意地址冲突。我建议你在设计阶段就规划好地址分配，避免后期改板。

场景	建议
同型号设备多个	使用地址引脚（A0/A1/A2）区分
不同型号设备	确认地址不冲突，查阅数据手册
地址冲突无法避免	使用 I2C 多路复用器（如 PCA9548）

避坑指南： 我曾经在一个项目里用了两个 AT24C02，忘记改地址引脚，结果两个设备地址都是 0x50。读数据时两个设备同时应答，数据完全乱掉。排查了整整一天才找到原因。

另外，总线上的上拉电阻也要注意。如果挂的设备太多，总线电容增大，信号边沿会变缓。我一般用示波器看 SCL 的上升沿，如果太缓就换小一点的上拉电阻，或者降低通信速率。

好了，I2C 的内容就到这里。从协议到驱动，再到 EEPROM 实战和仲裁机制，每一步都有值得注意的细节。希望你能把这些经验带到自己的项目里，少走一些弯路。