Arduino - I2C 总线通信

Arduino - I2C 通信协议

I2C（Inter-Integrated Circuit）协议是一种流行的串行通信总线，用于将微控制器连接到传感器、存储模块和其他外设。它是一个两线制系统，非常适合需要连接多个设备而无需使用大量 GPIO 引脚的项目。

I2C 基础知识

I2C 通信涉及两种角色：

• 主设备（Master）：发起通信、生成时钟信号并寻址从设备的设备。Arduino 通常充当主设备。
• 从设备（Slave）：监听其地址并响应主设备请求的设备。例如传感器、显示器和 I/O 扩展器。

使用的两根线是：

• SDA（串行数据线）：用于传输和接收数据的线路。
• SCL（串行时钟线）：承载时钟信号，同步数据传输的线路。

一个主设备可以在同一总线上与多达 112 个从设备通信，只要每个从设备都有唯一的地址。总线需要在 SDA 和 SCL 两条线上都连接上拉电阻（通常为 4.7kΩ），尽管许多传感器扩展板已经包含了这些电阻。

板载 I2C 引脚

I2C 引脚因 Arduino 板而异。以下是常见的引脚：

• Uno、Nano、Pro Mini：A4 (SDA)、A5 (SCL)
• Mega、Due：20 (SDA)、21 (SCL)
• Leonardo、Micro：2 (SDA)、3 (SCL)

使用 Wire 库

Arduino 内置的 Wire 库简化了 I2C 通信。核心函数包括：

• Wire.begin()：初始化库并加入 I2C 总线。主设备调用时不带地址。从设备调用时带上其 7 位地址，例如 Wire.begin(0x08)。
• Wire.beginTransmission(address)：开始向指定地址的从设备进行传输。
• Wire.write(data)：向从设备发送数据字节。
• Wire.endTransmission()：结束传输。至关重要的是，它会返回一个状态码，您应该检查该状态码以查找错误。
• Wire.requestFrom(address, byteCount)：主设备向从设备请求特定数量的字节。
• Wire.available()：返回已接收并可读取的字节数。
• Wire.read()：读取一个已接收的字节。

实用示例：主设备发送器 / 从设备接收器

在此示例中，一个作为主设备的 Arduino 向另一个作为从设备的 Arduino 发送命令，以控制其板载 LED。

主设备发送器代码

#include <Wire.h>

#define SLAVE_ADDRESS 0x08 // 定义从设备的地址

void setup() {
  Wire.begin(); // 作为主设备加入 I2C 总线
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("I2C Master Writer Initialized");
}

void loop() {
  // --- 打开 LED ---
  Serial.println("Sending ON command...");
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.write('1'); // 发送一个字节以打开 LED
  byte error = Wire.endTransmission(); // 检查错误

  if (error == 0) {
    Serial.println("Command sent successfully.");
  } else {
    Serial.print("Error sending command: ");
    Serial.println(error);
  }
  delay(2000);

  // --- 关闭 LED ---
  Serial.println("Sending OFF command...");
  Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
  Wire.write('0'); // 发送一个字节以关闭 LED
  error = Wire.endTransmission();

  if (error == 0) {
    Serial.println("Command sent successfully.");
  } else {
    Serial.print("Error sending command: ");
    Serial.println(error);
  }
  delay(2000);
}

从设备接收器代码

#include <Wire.h>

#define SLAVE_ADDRESS 0x08 // 此从设备的地址

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // 初始状态为 LED 关闭

  Wire.begin(SLAVE_ADDRESS); // 带地址加入 I2C 总线
  Wire.onReceive(receiveEvent); // 注册事件处理函数

  Serial.begin(9600);
  Serial.println("I2C Slave Receiver Initialized");
}

void loop() {
  // 主循环可用于其他任务。
  // 所有 I2C 逻辑由事件处理。
  delay(100);
}

// 每当从主设备接收到数据时，都会调用此函数。
void receiveEvent(int byteCount) {
  while (Wire.available()) { // 遍历所有接收到的字节
    char c = Wire.read(); // 将接收到的字节作为字符
    Serial.print("Command received: ");
    Serial.println(c);

    if (c == '1') {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    } else if (c == '0') {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    }
  }
}

调试和常见问题

• 地址错误：最常见的问题。使用“I2C 扫描器”程序（sketch）来扫描总线并查找连接设备的地址。
• 缺少上拉电阻：如果您的传感器模块没有上拉电阻，总线将无法工作。您需要一个 4.7kΩ 电阻从 SDA 连接到 5V，另一个从 SCL 连接到 5V。
• 接线错误：仔细检查 SDA 是否连接到 SDA，SCL 是否连接到 SCL。接反会阻止通信。
• 电源问题：确保总线上的所有设备共用一个地（GND）。

理解 endTransmission() 返回码

始终检查 Wire.endTransmission() 的返回值以构建健壮的系统：

• 0：成功。
• 1：数据过长，无法放入传输缓冲区。
• 2：在传输地址时收到 NACK（非应答）。这意味着在该地址没有从设备响应。
• 3：在传输数据时收到 NACK。从设备存在但未接受数据。
• 4：其他错误。