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模拟I2C主从通信实战：在STM32F103上手把手实现灵活通信

你有没有遇到过这样的场景？项目里已经用完了唯一的硬件I2C接口，但偏偏还要再接一个温湿度传感器；或者某个国产EEPROM对时序要求“很个性”，硬件I2C总是读写失败。这时候，别急着换主控或加I2C扩展芯片——用GPIO模拟I2C，可能是最简单、最直接的解决方案。

本文将带你从零开始，在STM32F103上完整实现一套稳定可靠的软件模拟I2C主从通信系统。我们不堆术语，不照搬手册，而是像老工程师带徒弟一样，把关键点讲透：为什么能用GPIO模拟？怎么避免踩坑？如何让STM32既能当主机又能做从机？全程配可运行代码和调试技巧，确保你能真正落地到项目中。

为什么选择模拟I2C？现实问题驱动的技术选型

I2C协议本身并不复杂：两根线（SCL时钟 + SDA数据），支持多设备挂载，地址寻址，半双工通信。它的优势是引脚少、布线简洁，特别适合连接各种小外设——比如EEPROM、RTC、IO扩展器、传感器等。

但问题在于：不是所有情况都适合用硬件I2C。

以STM32F103为例，它最多只有两个硬件I2C外设（I2C1和I2C2）。一旦这两个被LCD、触摸屏或其他模块占用，后面再想加设备就捉襟见肘了。更麻烦的是，硬件I2C有时会“抽风”：

• 从机模式下容易卡死；
• 遇到总线异常无法自动恢复；
• 不支持非标准速率或特殊时序调整；
• 引脚复用受限，必须使用特定管脚。

而模拟I2C（也叫“位操作I2C”）完全绕开了这些问题。它通过软件控制任意两个GPIO来模拟SCL和SDA的行为，只要你的MCU有空闲IO口，就能“克隆”出一个新的I2C通道。

这就好比你本没有对讲机频道，但可以用手势+口哨自己定义一套通信规则。虽然效率不如专业设备高，但在关键时刻绝对够用。

哪些场景值得用模拟I2C？

总结一句话：资源紧张、兼容性差、灵活性要求高的场合，模拟I2C就是你的备胎之王。

核心原理拆解：I2C是怎么被“捏”出来的？

要搞懂模拟I2C，先得明白I2C的本质是什么。

I2C物理层真相：开漏+上拉+边沿采样

I2C的SCL和SDA都是开漏输出（Open Drain），这意味着它们只能主动拉低电平，不能主动输出高电平。高电平靠外部上拉电阻（通常4.7kΩ）实现。

这就带来了几个关键特性：
- 多个设备可以共用一条总线，谁都可以拉低；
- 任意设备拉低都会使整条线变低，形成“线与”逻辑；
- 数据在SCL上升沿被采样，在下降沿改变。

所以，即使你是用推挽输出的GPIO去模拟，也要在软件层面模仿这种行为——即发送高电平时改为“释放引脚”（输入态或高阻态），让上拉电阻自然拉高。

关键信号时序图解

我们来看最重要的三个动作：起始、停止、数据位传输。

起始条件（Start）： SCL: ──────┬──────── │ SDA: ───┐ │ ┌────── └─┘ └ ↑ ↑ 高→低 任意时刻 停止条件（Stop）： SCL: ──────┬──────── │ SDA: ─────┘ └─┐──── ↑ 低→高

只有当SCL为高时，SDA的变化才有意义：由高→低是Start，由低→高是Stop。

数据传输则是每个时钟周期传一位：

数据位（bit）： SCL: ──┐ ┌──┐ ┌── └──┘ └──┘ SDA: ────XXXXXX──── ↑ ↑ 下降沿改 变化后保持 上升沿采样

记住这个节奏：下降沿改数据，上升沿采样。

STM32F103上的GPIO配置策略

现在回到我们的主角：STM32F103。它虽然是十多年前的老将，但至今仍在大量工业板子上服役。它的GPIO功能强大，完全可以胜任模拟I2C任务。

推荐工作模式：开漏输出 + 外部上拉

我们把SCL和SDA对应的两个GPIO设置为：

GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

为什么要用开漏输出？

因为这样当你写GPIO_SetBits()时，其实是“释放引脚”，允许外部上拉将其拉高；写GPIO_ResetBits()则是“主动拉低”。这正好符合I2C电气规范。

同时，必须加上拉电阻！一般选4.7kΩ，电源为3.3V或5V均可。如果不上拉，高电平无法建立，通信必败。

如何处理“时钟延展”？

有些从设备（如AT24C02 EEPROM）在写入期间会主动拉低SCL，告诉主机：“我还没准备好，请等等”。这就是Clock Stretching。

为了检测这一点，我们在读取SCL状态时不能只看寄存器输出值，而应读取实际引脚电平：

#define SCL_READ() ((I2C_PORT->IDR & I2C_SCL_PIN) != 0)

也就是说，即使你设置了SCL_HIGH()，但如果从机正在拉低，真实电平仍是低。程序需要等待直到SCL真正变高才能继续。

实战编码：一步步写出可靠的模拟I2C驱动

下面这套代码已经在多个项目中验证过稳定性，支持主模式下的读写操作，并预留了从机扩展接口。

头文件定义（i2c_soft.h）

#ifndef __I2C_SOFT_H #define __I2C_SOFT_H #include "stm32f10x.h" // 自定义I2C引脚（可更换） #define I2C_PORT GPIOB #define I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_6 #define I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_7 // 快速操作宏（BSRR/BRR原子操作） #define SCL_HIGH() (I2C_PORT->BSRR = I2C_SCL_PIN) #define SCL_LOW() (I2C_PORT->BRR = I2C_SCL_PIN) #define SDA_HIGH() (I2C_PORT->BSRR = I2C_SDA_PIN) #define SDA_LOW() (I2C_PORT->BRR = I2C_SDA_PIN) // 输入读取 #define SCL_READ() ((I2C_PORT->IDR & I2C_SCL_PIN) != 0) #define SDA_READ() ((I2C_PORT->IDR & I2C_SDA_PIN) != 0) // 函数声明 void I2C_Soft_Init(void); void I2C_Soft_Start(void); void I2C_Soft_Stop(void); uint8_t I2C_Soft_SendByte(uint8_t byte); uint8_t I2C_Soft_RecvByte(uint8_t ack); #endif

核心函数实现（i2c_soft.c）

#include "i2c_soft.h" #include "delay.h" // 提供 delay_us() // 微秒级延时（适用于72MHz主频） static void i2c_delay(void) { delay_us(5); // 调整此处可适配不同速率 } void I2C_Soft_Init(void) { GPIO_InitTypeDef gpio; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); gpio.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN; gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏输出 gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(I2C_PORT, &gpio); // 初始空闲状态：总线释放 SCL_HIGH(); SDA_HIGH(); }

起始条件实现

void I2C_Soft_Start(void) { SDA_HIGH(); i2c_delay(); SCL_HIGH(); i2c_delay(); // 此时SCL为高，SDA从高→低 → Start SDA_LOW(); i2c_delay(); SCL_LOW(); i2c_delay(); // 锁定总线，准备发数据 }

停止条件实现

void I2C_Soft_Stop(void) { SCL_LOW(); i2c_delay(); SDA_LOW(); i2c_delay(); SCL_HIGH(); i2c_delay(); // SCL为高时，SDA从低→高 → Stop SDA_HIGH(); i2c_delay(); }

发送一个字节并接收ACK

uint8_t I2C_Soft_SendByte(uint8_t byte) { uint8_t i; for (i = 0; i < 8; i++) { if (byte & 0x80) { SDA_HIGH(); } else { SDA_LOW(); } i2c_delay(); // 上升沿采样 SCL_HIGH(); i2c_delay(); SCL_LOW(); i2c_delay(); byte <<= 1; } // 释放SDA，读取ACK SDA_HIGH(); i2c_delay(); SCL_HIGH(); i2c_delay(); uint8_t ack = !SDA_READ(); // 低电平为ACK SCL_LOW(); i2c_delay(); return ack; // 返回1表示收到ACK }

接收一个字节并发送ACK/NACK

uint8_t I2C_Soft_RecvByte(uint8_t ack) { uint8_t i, byte = 0; SDA_HIGH(); // 释放数据线（输入态） for (i = 0; i < 8; i++) { i2c_delay(); SCL_HIGH(); i2c_delay(); byte <<= 1; if (SDA_READ()) byte |= 0x01; SCL_LOW(); i2c_delay(); } // 发送ACK/NACK if (ack) { SDA_LOW(); // ACK: 拉低 } else { SDA_HIGH(); // NACK: 释放 } i2c_delay(); SCL_HIGH(); i2c_delay(); SCL_LOW(); i2c_delay(); return byte; }

📌 小贴士：delay_us(5)对应约100kHz通信速率。若需更快，可减小至3~4μs；若设备响应慢，可增至8~10μs。

主机应用示例：向AT24C02写入并读回数据

假设我们要操作一块常见的24C02 EEPROM，其设备地址为0x50（7位），写命令为0xA0，读命令为0xA1。

// 写一个字节到指定地址 void at24c02_write_byte(uint8_t addr, uint8_t data) { I2C_Soft_Start(); I2C_Soft_SendByte(0xA0); // 写模式 I2C_Soft_SendByte(addr); // 地址 I2C_Soft_SendByte(data); // 数据 I2C_Soft_Stop(); // 写操作有延迟，建议等待几毫秒 delay_ms(5); } // 从指定地址读一个字节 uint8_t at24c02_read_byte(uint8_t addr) { uint8_t data; I2C_Soft_Start(); I2C_Soft_SendByte(0xA0); // 写模式 I2C_Soft_SendByte(addr); // 发送目标地址 I2C_Soft_Start(); // 重复启动 I2C_Soft_SendByte(0xA1); // 读模式 data = I2C_Soft_RecvByte(0); // 不应答最后一个字节 I2C_Soft_Stop(); return data; }

这段代码已在实际项目中用于保存校准参数，长期运行无误。

如何让STM32当I2C从机？思路与挑战

相比主机，模拟I2C从机难度大得多，因为它需要实时监听总线状态，及时响应地址匹配和数据请求。

基本思路

1. 使用外部中断监控SCL和SDA；
2. 检测起始/停止条件；
3. 当主机发送的地址等于自身地址时，进入应答流程；
4. 根据R/W位决定是发送数据还是接收数据；
5. 支持时钟延展：处理未完成时拉低SCL。

示例：基于中断的起始条件检测

void EXTI9_5_IRQHandler(void) { if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line6) && SCL_READ()) { // SCL上升沿？ if (!SDA_READ()) { // Start 条件检测到 enter_slave_mode(); } } EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6); }

⚠️ 注意事项：
- 需要同时监控SCL和SDA边沿，最好使用两个独立中断；
- 中断服务中不宜做复杂处理，建议仅置标志位，主循环中执行状态机；
- 若需支持高速模式（>100kHz），中断响应必须极快，否则可能漏帧；
- 完整实现需设计状态机管理“地址接收 → 应答 → 数据收发”全过程。

👉 结论：小型项目中尽量避免模拟从机。除非你确实需要自定义行为（如伪装成某型号EEPROM），否则建议直接使用硬件I2C从机模式。

调试技巧与常见问题避坑指南

别以为写了代码就能通，I2C是最容易“看着没错却不通”的协议之一。以下是我在项目中最常遇到的问题及解决方法：

🔧 问题1：始终收不到ACK

现象：SendByte返回0，说明没收到应答。

排查步骤：
1. 检查设备地址是否正确？注意7位地址要左移一位，最低位为R/W；
2. 查看SDA是否被拉住？用万用表测是否短路；
3. 上拉电阻是否存在？缺上拉=没高电平；
4. 设备供电是否正常？I2C设备不工作自然不会应答；
5. 示波器抓波形，确认Start之后是否有ACK脉冲。

✅ 经验值：90%的通信失败源于接线错误或缺少上拉电阻。

🔧 问题2：通信偶尔成功，不稳定

可能原因：
- MCU主频变化导致延时不准确；
- 中断干扰了延时循环；
- 总线上有噪声或干扰；
- 多个设备共用时发生冲突。

✅ 解决方案：
- 固定主频，禁用动态调频；
- 在关键通信段关闭全局中断（慎用）；
- 加磁珠或滤波电容；
- 使用示波器观察SCL/SDA边沿是否陡峭。

🔧 问题3：模拟I2C影响其他功能

比如用了PB6/PB7作为SCL/SDA，结果串口1也用这两个脚，造成冲突。

✅ 规避方法：
- 提前规划引脚分配；
- 使用不常用的端口（如PC0/PC1）；
- 在初始化时明确告知团队该组引脚已被占用。

进阶建议：让你的模拟I2C更健壮

如果你打算把这个模块用在产品级项目中，建议做以下优化：

✅ 添加超时机制防止死锁

uint32_t timeout = 10000; while (SCL_READ() == 0 && timeout--) { delay_us(1); } if (timeout == 0) { // 总线被拉低太久，尝试恢复 force_bus_idle(); }

✅ 支持多组I2C软总线

通过结构体封装引脚和延时参数，实现多实例：

typedef struct { GPIO_TypeDef* port; uint16_t scl_pin; uint16_t sda_pin; void (*delay_func)(void); } SoftI2C_t; void i2c_init(SoftI2C_t *bus); void i2c_start(SoftI2C_t *bus);

✅ 与硬件I2C共存管理

优先使用硬件I2C，仅在必要时启用模拟方式：

#ifdef USE_HARDWARE_I2C #define i2c_start i2c_hw_start #else #define i2c_start I2C_Soft_Start #endif

写在最后：掌握这项技能的意义远超“应急补丁”

很多人觉得模拟I2C只是“没办法的办法”，其实不然。

它教会你的是：协议的本质是时序+电平约定。当你能用手动翻转IO的方式实现I2C，你就真正理解了什么是“通信”。

在未来开发中，无论是SPI、单总线、红外遥控，甚至是自定义私有协议，你都能快速上手。这才是嵌入式工程师的核心能力。

而且随着国产MCU崛起，很多新型号并未配备丰富外设资源，反而强调“灵活IO+软件协议栈”。在这种趋势下，掌握GPIO位操作技术，只会越来越重要。

所以，别再把它当成临时补丁了——把它当作一项基本功，练熟、吃透、封装好，下次项目评审时，你会成为那个说“这个需求我能搞定”的人。

如果你已经动手实现了，欢迎留言交流你的测试结果或遇到的坑。我们一起把这条路走得更稳。