STM32 I2C 通信

1. I2C 总线协议基础

总线结构

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线只有两根线：

SCL（Serial Clock）：串行时钟线，由主机产生
SDA（Serial Data）：串行数据线，双向传输

总线上可以挂载多个设备，每个设备都有唯一的7 位地址。STM32 通常作为主机（Master），外设作为从机（Slave）。

开漏输出与线与逻辑

I2C 的 SCL 和 SDA 都采用开漏输出（Open-Drain），必须外接上拉电阻（典型值 4.7kΩ）：

当设备输出低电平时，拉低总线（驱动能力强）
当设备输出高电平时，释放总线（由上拉电阻拉高）

多个设备可以同时向总线输出：只要有任何一个设备输出低电平，总线就是低电平——这就是线与（Wire-AND）逻辑。上拉电阻的阻值决定了总线上升时间，阻值越小速度越快但功耗越大。

上图：I2C 总线硬件连接（开漏输出 + 上拉电阻）（来源：STM32入门教程 PPT 第128页）

对比 UART：

UART：点对点通信，推挽输出，一对一连接
I2C：总线式通信，开漏输出，一对多连接（一主多从）

协议时序

空闲状态：SCL = 高，SDA = 高

起始条件（Start Condition）：SCL 高电平时，SDA 从高→低跳变

SCL  ──┬──────
       │
SDA  ──┘───

停止条件（Stop Condition）：SCL 高电平时，SDA 从低→高跳变

SCL     ──┬──
          │
SDA  ────┘

数据传输：SCL 低电平时 SDA 可变化，SCL 高电平时 SDA 保持稳定（接收方在 SCL 上升沿采样）。

应答（ACK）：每传输完 8 位数据，接收方在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA 表示应答。

上图：I2C 起始条件（Start）与停止条件（Stop）时序（来源：STM32入门教程 PPT 第129页）

数据帧格式

标准的 I2C 写数据帧：

起始位 | 7位地址 | R/W(0) | ACK | 数据1 | ACK | ... | 数据N | ACK/NACK | 停止位

标准的 I2C 读数据帧：

起始位 | 7位地址 | R/W(1) | ACK | 数据1 | ACK | ... | 数据N | NACK | 停止位

注意读操作结束后，主机需要发送 NACK（即释放 SDA）告诉从机停止发送，再发停止位。

速度模式

模式	最大波特率
标准模式 (SM)	100 kbit/s
快速模式 (FM)	400 kbit/s
快速增强模式 (FM+)	1 Mbit/s
高速模式 (HS)	3.4 Mbit/s

STM32F103 的 I2C 外设支持标准模式和快速模式。

2. STM32 I2C 外设配置

标准库

上图：STM32 I2C 模块框图（来源：STM32入门教程 PPT 第141页）

上图：STM32 I2C 内部结构（时钟控制、数据寄存器、移位寄存器）（来源：STM32入门教程 PPT 第142页）

I2C 模块引脚

以 I2C1 为例：

默认引脚	重映射后
PB6 (SCL)	PB8 (SCL)
PB7 (SDA)	PB9 (SDA)

引脚模式：复用开漏输出（GPIO_Mode_AF_OD）

为什么用复用 + 开漏？

复用：因为由 I2C 模块内部硬件控制引脚，不是软件 GPIO 控制
开漏：为了实现线与逻辑

时钟与复位

I2C1 挂在 APB1 总线上（注意不是 APB2）：

// 1. 开启时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);

// 2. 复位 I2C 模块（类似重启）
RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);   // 按下复位
RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, DISABLE);  // 松开复位

I2C_Init 参数

I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

// 1. 波特率：400kHz
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 400000;

// 2. 模式：标准 I2C（非 SMBus）
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;

// 3. 占空比（快速模式下可选）
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;  // 2:1 或 16:9

// 4. 本机地址（本设备作为从机时才用，主机可填任意值）
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;

// 5. 应答使能
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;

// 6. 7 位地址模式
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;

I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

使能 I2C

I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);   // 闭合总开关

完整初始化示例

void MyI2C_Init(void) {
    // 1. 开启 GPIOB 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    // 2. 开启 AFIO 时钟（重映射需要）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 3. 重映射 I2C1 到 PB8/PB9
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_I2C1, ENABLE);
    
    // 4. 初始化 PB8(SCL) 和 PB9(SDA) 为复用开漏输出
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 5. 开启 I2C1 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    
    // 6. 复位 I2C1
    RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphResetCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, DISABLE);
    
    // 7. 初始化 I2C1
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 400000;
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
    
    // 8. 使能 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

HAL库

使用 STM32CubeMX 生成的 HAL 库代码，I2C 初始化通过 I2C_HandleTypeDef 结构体完成：

/* HAL库 — I2C 句柄定义与初始化 */
I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void MX_I2C1_Init(void)
{
    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000;          // 400kHz
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;  // 占空比 2:1
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;              // 本机地址（主机模式不用）
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

/* HAL 库的 MSP 初始化（引脚与时钟）由 HAL_I2C_MspInit 回调完成 */
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    if (hi2c->Instance == I2C1) {
        __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();

        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;           // PB6=SCL, PB7=SDA
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    }
}

关键区别：

结构体：标准库用 I2C_InitTypeDef + I2C_Init()；HAL 库用 I2C_HandleTypeDef + HAL_I2C_Init()
MSP 回调：HAL 库通过 HAL_I2C_MspInit() 统一管理引脚时钟和 GPIO 初始化
地址处理：HAL 库的 HAL_I2C_Mem_Write/Read 要求传入7 位原始地址（不含 R/W 位），如 MPU6050 传入 0x68；而标准库中传的是左对齐的 0xD0

3. I2C 写数据

I2C 模块内部结构

关键部件：

发送数据寄存器 (DR)：写入要发送的字节
接收数据寄存器 (DR)：读取接收到的字节
移位寄存器：逐位移位发送/接收
SR1 (状态寄存器 1)：包含 SB、ADDR、BTF、TXE、RXNE、AF 等标志位
SR2 (状态寄存器 2)：包含 BUSY、MSL 等标志位
CR1 (控制寄存器 1)：包含 START、STOP、ACK、PE 等控制位
SCL 控制电路：产生时钟信号，配置波特率和占空比

关键标志位

标志位	含义
BUSY (SR2)	总线忙标志，=1 时总线正在通信
SB (SR1)	起始位已发送
ADDR (SR1)	地址已发送且收到 ACK（寻址成功）
AF (SR1)	应答失败（NACK received）
TXE (SR1)	发送数据寄存器空，可写入下一个数据
BTF (SR1)	Byte Transfer Finished，字节传输完成（移位寄存器和 DR 均空）
RXNE (SR1)	接收数据寄存器非空，有数据可读

写数据完整流程

/**
 * 通过 I2C 发送多个字节
 * @param I2Cx  I2C 外设地址（I2C1 或 I2C2）
 * @param Addr  从机 7 位地址（左对齐）
 * @param pData 要发送的数据数组
 * @param Size  要发送的字节数
 * @return 0=成功, 1=寻址失败, 2=数据被拒收
 */
int MyI2C_SendBytes(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Addr, uint8_t *pData, uint16_t Size) {
    // === 阶段一：等待总线空闲 ===
    while (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_BUSY));
    
    // === 阶段二：发送起始位 ===
    I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_SB));  // 等待起始位发送完成
    
    // === 阶段三：寻址阶段 ===
    I2C_ClearFlag(I2Cx, I2C_FLAG_AF);               // 先清除 AF 标志位
    I2C_SendData(I2Cx, Addr & 0xFE);                 // 地址 + R/W=0（写）
    
    // 等待寻址结果
    while (1) {
        if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_ADDR))     // 寻址成功
            break;
        if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_AF)) {     // 寻址失败
            I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
            return 1;
        }
    }
    
    // 清除 ADDR 标志位（必须：先读 SR1，再读 SR2）
    I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR1);
    I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR2);
    
    // === 阶段四：发送数据 ===
    for (uint16_t i = 0; i < Size; i++) {
        // 等待可以发送下一个字节
        while (1) {
            if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_AF)) {  // 数据被拒收
                I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
                return 2;
            }
            if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_TXE))   // DR 空，可以写入
                break;
        }
        I2C_SendData(I2Cx, pData[i]);                // 写入发送数据寄存器
    }
    
    // 等待最后一个字节发送完成
    while (1) {
        if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_AF)) {
            I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
            return 2;
        }
        if (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_BTF))   // 整个字节传输完成
            break;
    }
    
    // === 阶段五：发送停止位 ===
    I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
    return 0;   // 成功
}

关键点：

左对齐地址：7 位地址存放在高 7 位，最低位为 R/W 位。如 OLED 地址 0x78 = 0111 1000，高 7 位 0111 100 即 0x3C 左移一位
ADDR 清零：必须先读 SR1 再读 SR2，这是 STM32 的硬件规定
BF 标志位：当 TXE=1（DR 空）且移位寄存器空时，BTF=1，表示整个传输完成
AF 检查时机：地址阶段和数据阶段都要检查 AF 标志位

示例：点亮 OLED

uint8_t Command[] = {0x00, 0x8D, 0x14, 0xAF, 0xA5};  // OLED 开启命令

int main(void) {
    OLED_Init();    // 内部调用 MyI2C_Init()
    
    MyI2C_SendBytes(I2C1, 0x78, Command, 5);
    
    // OLED 屏幕点亮
    while (1);
}

OLED 地址是 0x78，这里传的是已经左对齐的地址（最低位为 R/W 位，函数内做了 & 0xFE 处理）。

HAL库写操作

HAL 库将 I2C 写操作封装为两个高级函数，无需手动操作 EV5/EV6/EV7 事件标志位：

/* HAL库 — I2C 主机发送（直接发送数据，无寄存器地址） */
// 原型：HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress, pData, Size, Timeout)
// DevAddress：7位从机地址左移1位（即含R/W位的8位地址）
// pData：要发送的数据缓冲区
// Size：字节数
// Timeout：超时时间（ms）
HAL_StatusTypeDef status = HAL_I2C_Master_Transmit(
    &hi2c1,
    0xD0,           // MPU6050 地址（左对齐，含R/W位）
    Command,        // 数据缓冲区
    5,              // 字节数
    100             // 超时100ms
);
if (status != HAL_OK) {
    Error_Handler();  // 处理错误
}

/* HAL库 — I2C 写寄存器（Mem Write，带寄存器地址） */
// 原型：HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, DevAddress, MemAddress, MemAddSize, pData, Size, Timeout)
// DevAddress：7位从机地址左移1位
// MemAddress：寄存器地址
// MemAddSize：寄存器地址长度（8位或16位）
HAL_StatusTypeDef ret = HAL_I2C_Mem_Write(
    &hi2c1,
    0xD0,           // 从机地址
    0x6B,           // 寄存器地址（PWR_MGMT_1）
    I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,  // 寄存器地址为8位
    (uint8_t[]){0x01},     // 写入的数据
    1,              // 1个字节
    100
);

/* HAL库 — 同时写多个寄存器 */
uint8_t configData[] = {0x6B, 0x01, 0x6C, 0x00, 0x19, 0x09};
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0xD0, configData, 6, 100);

HAL 库内部自动处理了：

生成起始条件（EV5：SB 标志位）
发送地址 + 等待 ADDR 标志（EV6）
逐个字节发送数据 + 等待 TXE/BTF
生成停止条件
超时重试与错误状态返回

4. I2C 读数据

读数据流程

读操作的流程和写类似，但有三个关键区别：

发送地址时 RW=1（Addr | 0x01）
接收最后一个字节后主机发送 NACK，告诉从机停止发送

需要重复起始位（Repeated Start）：先写寄存器地址，再切换为读模式

uint8_t MyI2C_ReadByte(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Addr, uint8_t RegAddr) {
uint8_t Data;
    
// 阶段 1-2：起始位
while (I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_BUSY));
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_SB));
    
// 阶段 3：写从机地址（写方向）—— 先写寄存器地址
I2C_ClearFlag(I2Cx, I2C_FLAG_AF);
I2C_SendData(I2Cx, Addr & 0xFE);
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_ADDR));
I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR1);
I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR2);
    
// 发送寄存器地址
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_TXE));
I2C_SendData(I2Cx, RegAddr);
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_BTF));
    
// 阶段 4：重复起始位 —— 切换方向
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_SB));
    
// 阶段 5：写从机地址（读方向）
I2C_ClearFlag(I2Cx, I2C_FLAG_AF);
I2C_SendData(I2Cx, Addr | 0x01);
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_ADDR));
I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR1);
I2C_ReadRegister(I2Cx, I2C_Register_SR2);
    
// 阶段 6：接收数据 + 发 NACK
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, DISABLE);   // 不发 ACK
while (!I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_RXNE));
Data = I2C_ReceiveData(I2Cx);
    
// 阶段 7：停止位
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);    // 恢复 ACK
    
return Data;
}

HAL库读操作

/* HAL库 — I2C 主机接收（直接读取从机数据，无寄存器地址） */
// 原型：HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DevAddress, pData, Size, Timeout)
uint8_t rxBuffer[6];
HAL_StatusTypeDef status = HAL_I2C_Master_Receive(
    &hi2c1,
    0xD0,           // 从机地址（左对齐）
    rxBuffer,       // 接收缓冲区
    6,              // 接收6个字节
    100
);

/* HAL库 — I2C 读寄存器（Mem Read，先写寄存器地址，再读数据） */
// 原型：HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, DevAddress, MemAddress, MemAddSize, pData, Size, Timeout)
// 内部自动完成：Write(RegAddr) → Repeated Start → Read
uint8_t data;
HAL_StatusTypeDef ret = HAL_I2C_Mem_Read(
    &hi2c1,
    0xD0,                       // 从机地址
    0x3B,                       // 起始寄存器地址（ACCEL_XOUT_H）
    I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,       // 8位寄存器地址
    &data,                      // 接收缓冲区
    1,                          // 读取1个字节
    100
);

/* HAL库 — 连续读取多个寄存器（MPU6050 获取全部6轴数据） */
uint8_t mpuBuffer[14];  // ACCEL(6) + TEMP(2) + GYRO(6) = 14 bytes
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xD0, 0x3B, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,
                 mpuBuffer, 14, 100);

// 解析数据
int16_t AccX = (mpuBuffer[0] << 8) | mpuBuffer[1];
int16_t AccY = (mpuBuffer[2] << 8) | mpuBuffer[3];
int16_t AccZ = (mpuBuffer[4] << 8) | mpuBuffer[5];
int16_t GyroX = (mpuBuffer[8] << 8) | mpuBuffer[9];
int16_t GyroY = (mpuBuffer[10] << 8) | mpuBuffer[11];
int16_t GyroZ = (mpuBuffer[12] << 8) | mpuBuffer[13];

HAL 库的 HAL_I2C_Mem_Read 内部自动执行：Start → 地址+W → 寄存器地址 → Repeated Start → 地址+R → NACK → Stop，完全封装了重复起始位和 NACK 发送逻辑。

5. 软件 I2C（GPIO 模拟）

如果单片机没有硬件 I2C 外设，或者引脚不够灵活，可以用 GPIO 模拟 I2C 时序。

引脚配置

PB10 (SCL) 和 PB11 (SDA) 配置为开漏输出（也可用推挽输出模拟）：

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;

时序模拟

#define I2C_SCL_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10)
#define I2C_SCL_LOW()   GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10)
#define I2C_SDA_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11)
#define I2C_SDA_LOW()   GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11)
#define I2C_SDA_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11)

void MyI2C_Start(void) {
    I2C_SDA_HIGH();
    I2C_SCL_HIGH();
    Delay_us(4);
    I2C_SDA_LOW();      // SCL 高电平时 SDA 下降沿 → 起始位
    Delay_us(4);
    I2C_SCL_LOW();      // 拉低 SCL 准备传输数据
}

void MyI2C_Stop(void) {
    I2C_SDA_LOW();
    I2C_SCL_HIGH();
    Delay_us(4);
    I2C_SDA_HIGH();     // SCL 高电平时 SDA 上升沿 → 停止位
    Delay_us(4);
}

void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        if (Byte & 0x80) I2C_SDA_HIGH();
        else             I2C_SDA_LOW();
        Byte <<= 1;
        I2C_SCL_HIGH();     // SCL 高电平采样
        Delay_us(4);
        I2C_SCL_LOW();
        Delay_us(4);
    }
}

uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void) {
    uint8_t Byte = 0;
    I2C_SDA_HIGH();         // 释放 SDA，让从机控制
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        Byte <<= 1;
        I2C_SCL_HIGH();
        Delay_us(2);
        if (I2C_SDA_READ()) Byte |= 0x01;
        I2C_SCL_LOW();
        Delay_us(2);
    }
    return Byte;
}

void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit) {
    if (AckBit) I2C_SDA_HIGH();   // NACK
    else        I2C_SDA_LOW();    // ACK
    I2C_SCL_HIGH();
    Delay_us(4);
    I2C_SCL_LOW();
    I2C_SDA_HIGH();               // 释放 SDA
    Delay_us(4);
}

uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void) {
    uint8_t AckBit;
    I2C_SDA_HIGH();               // 释放 SDA，让从机拉低
    I2C_SCL_HIGH();
    Delay_us(4);
    AckBit = I2C_SDA_READ();      // 0=ACK, 1=NACK
    I2C_SCL_LOW();
    Delay_us(4);
    return AckBit;
}

软件 I2C 与 MPU6050

MPU6050 是常用的六轴传感器（三轴加速度 + 三轴陀螺仪），I2C 从机地址为 0xD0（含 R/W 位，即 7 位地址 0x68 左移一位）。

#define MPU6050_ADDRESS     0xD0      // 含 R/W 位

// 写寄存器
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data) {
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);   // 地址 + 写方向
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(RegAddress);        // 寄存器地址
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(Data);              // 写入数据
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_Stop();
}

// 读寄存器
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress) {
    uint8_t Data;
    
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);   // 写方向
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(RegAddress);        // 指定寄存器地址
    MyI2C_ReceiveAck();
    
    MyI2C_Start();                     // 重复起始位
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);  // 读方向
    MyI2C_ReceiveAck();
    Data = MyI2C_ReceiveByte();
    MyI2C_SendAck(1);                  // 发 NACK
    MyI2C_Stop();
    
    return Data;
}

// 初始化 MPU6050
void MPU6050_Init(void) {
    MyI2C_Init();
    // 电源管理：取消睡眠模式，选择 X 轴陀螺仪为时钟源
    MPU6050_WriteReg(0x6B, 0x01);     // PWR_MGMT_1
    // 使能所有轴
    MPU6050_WriteReg(0x6C, 0x00);     // PWR_MGMT_2
    // 采样率：1kHz
    MPU6050_WriteReg(0x19, 0x09);     // SMPLRT_DIV
    // DLPF 配置
    MPU6050_WriteReg(0x1A, 0x06);     // CONFIG
    // 陀螺仪满量程 ±2000°/s
    MPU6050_WriteReg(0x1B, 0x18);     // GYRO_CONFIG
    // 加速度计满量程 ±16g
    MPU6050_WriteReg(0x1C, 0x18);     // ACCEL_CONFIG
}

// 读取原始数据
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                     int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ) {
    uint8_t DataH, DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x3B);   // ACCEL_XOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x3C);
    *AccX = (DataH << 8) | DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x3D);   // ACCEL_YOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x3E);
    *AccY = (DataH << 8) | DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x3F);   // ACCEL_ZOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x40);
    *AccZ = (DataH << 8) | DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x43);   // GYRO_XOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x44);
    *GyroX = (DataH << 8) | DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x45);   // GYRO_YOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x46);
    *GyroY = (DataH << 8) | DataL;
    
    DataH = MPU6050_ReadReg(0x47);   // GYRO_ZOUT_H
    DataL = MPU6050_ReadReg(0x48);
    *GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}

硬件 I2C（标准库 — EV5/EV6/EV7 事件驱动）

如果使用 STM32 硬件 I2C 外设 + 标准库，MPU6050 驱动通过 I2C 事件标志位控制时序（EV5 = SB起始已发送，EV6 = ADDR寻址成功，EV7 = RXNE数据可读）：

/* 标准库 — 硬件 I2C MPU6050 驱动（基于 I2C2，PB10/PB11） */

#define MPU6050_ADDRESS     0xD0

/* 等待 I2C 事件，带超时 */
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{
    uint32_t Timeout = 10000;
    while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)
    {
        Timeout--;
        if (Timeout == 0) break;
    }
}

/* 硬件 I2C 写寄存器：发送起始位 → EV5 → 地址+W → EV6 → 数据 → EV8 → EV8_2 → 停止 */
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);          // EV5

    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); // EV6

    I2C_SendData(I2C2, RegAddress);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);    // EV8

    I2C_SendData(I2C2, Data);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);     // EV8_2

    I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);
}

/* 硬件 I2C 读寄存器：起始 → EV5 → 地址+W → EV6 → 寄存器地址 → EV8_2 → 重复起始 → EV5 → 地址+R → EV6 → 数据 → EV7 → 停止 */
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;

    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);          // EV5

    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); // EV6

    I2C_SendData(I2C2, RegAddress);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);     // EV8_2

    I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);                                // 重复起始位
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);          // EV5

    I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED); // EV6

    I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);                            // 最后一字节前失能ACK
    I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);                                   // 提前请求停止

    MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);         // EV7
    Data = I2C_ReceiveData(I2C2);

    I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);                              // 恢复ACK

    return Data;
}

void MPU6050_Init(void)
{
    /* GPIO 初始化 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    /* I2C2 初始化 */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);
    I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);

    /* MPU6050 配置 */
    MPU6050_WriteReg(0x6B, 0x01);
    MPU6050_WriteReg(0x6C, 0x00);
    MPU6050_WriteReg(0x19, 0x09);
    MPU6050_WriteReg(0x1A, 0x06);
    MPU6050_WriteReg(0x1B, 0x18);
    MPU6050_WriteReg(0x1C, 0x18);
}

事件与标志位对应关系：

I2C 事件	标志位	说明
`I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT`	SB	EV5：起始位已发送
`I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED`	ADDR	EV6：地址已发送且收到 ACK（发送模式）
`I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED`	ADDR	EV6：地址已发送且收到 ACK（接收模式）
`I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING`	TXE	EV8：数据寄存器空，可发送下一字节
`I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED`	BTF	EV8_2：字节传输完成（DR + 移位寄存器均空）
`I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED`	RXNE	EV7：收到一个字节，数据可读

HAL库下的 MPU6050 驱动

如果使用 HAL 库，MPU6050 驱动可简化为直接调用 HAL_I2C_Mem_Write/Read，不需要自己实现软件 I2C 时序：

/* HAL库 — MPU6050 驱动（基于 HAL_I2C_Mem_Write/Read） */

#define MPU6050_ADDR_7BIT   0x68      // 7位原始地址（不含R/W位）
#define MPU6050_ADDR       0xD0      // 左对齐地址（含R/W位），供 HAL 库函数使用

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MPU6050_ADDR, RegAddress,
                      I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Data, 1, 100);
}

uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, RegAddress,
                     I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Data, 1, 100);
    return Data;
}

void MPU6050_Init(void)
{
    MX_I2C1_Init();                              // 初始化硬件 I2C
    MPU6050_WriteReg(0x6B, 0x01);               // PWR_MGMT_1
    MPU6050_WriteReg(0x6C, 0x00);               // PWR_MGMT_2
    MPU6050_WriteReg(0x19, 0x09);               // SMPLRT_DIV
    MPU6050_WriteReg(0x1A, 0x06);               // CONFIG
    MPU6050_WriteReg(0x1B, 0x18);               // GYRO_CONFIG (±2000°/s)
    MPU6050_WriteReg(0x1C, 0x18);               // ACCEL_CONFIG (±16g)
}

void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                     int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
    uint8_t buf[14];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, 0x3B,
                       I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 14, 100);
    *AccX = (buf[0]  << 8) | buf[1];
    *AccY = (buf[2]  << 8) | buf[3];
    *AccZ = (buf[4]  << 8) | buf[5];
    *GyroX = (buf[8] << 8) | buf[9];
    *GyroY = (buf[10] << 8) | buf[11];
    *GyroZ = (buf[12] << 8) | buf[13];
}

对比标准库方案，HAL 库方案的优点：

无需手动操作 EV5/EV6/EV7 事件——HAL 库内部封装
HAL_I2C_Mem_Read 一次性完成写寄存器地址 + 重复起始 + 读数据
地址传入方式不同：HAL_I2C_Mem_Write/Read 的 DevAddress 参数传左对齐地址（含 R/W 位，如 0xD0）

6. 硬件 I2C vs 软件 I2C

对比	硬件 I2C	软件 I2C
CPU 占用	低（硬件控制时序）	高（CPU 逐位模拟）
引脚灵活性	需指定引脚	任意 GPIO
速度	可达 400kHz	取决于延时精度
抗干扰	好（硬件滤波）	差
编程复杂度	较高（寄存器/标志位多）	简单直观
适用场景	高速、复杂系统	低速、原型验证、引脚不足

7. 常见问题

总线锁死

I2C 总线有时会出现 SDA 一直被拉低的情况。可能原因：

从机异常：从机未完成操作就收到了新起始位
时钟拉伸：从机拉低 SCL 延长时钟

解决方法：强制发送 9 个时钟脉冲，让从机释放 SDA。

上拉电阻

I2C 总线上必须接上拉电阻。如果未接或阻值过大，SCL/SDA 波形上升沿过缓，通信不可靠。建议阻值 4.7kΩ（标准模式）到 1kΩ（快速模式）。

地址冲突

多个 I2C 设备使用相同地址会导致冲突。MPU6050 的 AD0 引脚可改变地址：

AD0 = 0：地址 0x68
AD0 = 1：地址 0x69

8. 参考代码索引

10-1 软件I2C读写MPU6050\Hardware\MyI2C.c — 软件 I2C GPIO 模拟实现
10-1 软件I2C读写MPU6050\Hardware\MPU6050.c — MPU6050 驱动
10-1 软件I2C读写MPU6050\User\main.c — 主程序示例
14-[STM32 HAL库][I2C]基础知识 — I2C 总线协议
15-[STM32 HAL库][I2C]简单数据收发实验 — OLED 使用 I2C 通信
铁头山羊 I2C 系列（4.1~4.8）— 硬件 I2C 模块详解

本笔记综合整理自三套 STM32 教程：

[STM32 HAL库] I2C 基础知识 / 数据收发实验

铁头山羊 I2C 系列（4.1~4.8）

江协科技 I2C 系列（10-1~10-5）

05-I2C通信详解.md 30 KB 文件歷史 原始文件