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从零实现模拟I2C：一位嵌入式工程师的实战手记

你有没有遇到过这样的场景？
项目进入关键阶段，突然发现MCU上唯一的硬件I2C接口已经被OLED屏幕占用，而你现在还要接一个温湿度传感器——偏偏它的地址还和另一个设备冲突。怎么办？

这时候，模拟I2C就成了你的“救命稻草”。

它不像硬件I2C那样依赖特定外设模块，而是用最朴素的方式：两个GPIO口 + 精确延时，手动复现整个通信流程。听起来像是“土法炼钢”，但在真实工程中，这招往往比高端方案更管用。

今天，我就带你一步步走完这个过程——不讲虚的，只说实战中踩过的坑、调过的波形、写过的代码。让你不仅能看懂，更能亲手实现一套稳定可靠的软件I2C驱动。

为什么我们需要“模拟”I2C？

I2C协议本身很简单：一根时钟线（SCL），一根数据线（SDA），支持多主多从、地址寻址、应答机制。许多MCU都集成了硬件I2C控制器，配置几个寄存器就能通信。

但现实总是复杂的：

• 引脚不够用？STM32F103C8T6只有I2C1可用，其他都是重映射；
• 地址撞车了？MPU6050默认地址0x68，两个没法共存一条总线；
• 电压不匹配？想让3.3V的ESP32读5V的EEPROM；
• 调试抓瞎？硬件I2C一出错就是“忙等超时”，根本不知道哪一步失败了。

这些问题，模拟I2C全都能解。

因为它的一切都在你的掌控之中：你可以把SCL和SDA接到任意GPIO上，可以为不同设备创建独立的虚拟总线，可以在每一步插入日志打印，甚至能用LED闪烁来“肉眼观察”ACK是否到来。

更重要的是，它是理解底层通信本质的最佳入口。当你亲手拉低SDA、等待SCL上升沿的时候，才会真正明白什么叫“数据在时钟上升沿被采样”。

核心三要素：电平控制、方向切换、精准延时

要让两条普通IO线变成I2C总线，必须搞定三个关键技术点。

1. GPIO操作：不只是高低电平那么简单

很多人以为，只要能设置高低电平就完事了。其实不然。

I2C的数据线SDA是双向的——主机发数据时是输出，接收ACK时又要变成输入去读从机的回应。

这就要求我们动态切换GPIO的方向。以STM32为例，典型宏定义如下：

#define SDA_OUT() { GPIOB->CRH &= ~0xF0; GPIOB->CRH |= 0x30; } // 推挽输出 #define SDA_IN() { GPIOB->CRH &= ~0xF0; GPIOB->CRH |= 0x80; } // 浮空输入 #define SET_SDA GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_7 #define CLR_SDA GPIOB->BRR = GPIO_PIN_7 #define READ_SDA ((GPIOB->IDR & GPIO_PIN_7) != 0) #define SET_SCL GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_6 #define CLR_SCL GPIOB->BRR = GPIO_PIN_6

注意这里的细节：
- 输出模式推荐使用开漏输出配合外部上拉电阻，这样才符合I2C电气规范；
- 输入模式要用浮空输入，避免内部上下拉干扰总线；
- 操作寄存器直接到位带，效率远高于库函数调用。

如果你的平台支持，最好启用开漏模式：

// 开漏输出配置（更贴近真实I2C） #define SDA_OUT_OD() do { \ GPIOB->CRH &= ~0xF0; \ GPIOB->CRH |= 0x10; /* CNF=01, MODE=10 -> 开漏输出 */ \ } while(0)

没有外部上拉？别急着通电！至少4.7kΩ的上拉电阻是必须的，否则总线永远拉不上去。

2. 延时函数：决定成败的关键

I2C的标准模式是100kHz，意味着每个时钟周期10μs，高/低电平各占约5μs。快速模式400kHz则压缩到2.5μs以内。

这些时间不是随便给的。比如：
- 数据建立时间（t_SU:DAT）需 ≥ 250ns；
- 起始信号建立时间（t_SU:STA）需 ≥ 4.7μs；
- 停止信号前SCL高电平时间（t_SU:STO）需 ≥ 4.0μs。

稍有偏差，某些“娇气”的传感器就会罢工。

所以延时不能靠for(i=0;i<100;i++);这种玄学写法。我推荐两种实用方案：

方案一：基于DWT周期计数（适用于Cortex-M3/M4）

static void i2c_delay_us(uint32_t us) { uint32_t start = DWT->CYCCNT; uint32_t cycles = us * (SystemCoreClock / 1000000); while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles); }

前提是开启DWT时钟：

CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; DWT->CYCCNT = 0;

方案二：查表标定循环次数（适合资源紧张场景）

static void i2c_delay(void) { volatile int i = 72; // 经实测@72MHz ≈ 5μs while (i--) __NOP(); }

记得加volatile防止编译器优化掉空循环。

四步走通核心流程：起始 → 发地址 → 收ACK → 传数据

所有的I2C通信，归根结底就是四个动作的组合。我们逐个拆解。

第一步：发起通信 —— 起始条件（Start Condition）

规则很明确：当SCL为高时，SDA由高变低。

代码实现要注意顺序：

void i2c_start(void) { SDA_OUT(); // 确保SDA可输出 SET_SDA; // 初始高电平 SET_SCL; i2c_delay_us(4); // 保持≥4.7μs CLR_SDA; // SDA下降，此时SCL仍高 i2c_delay_us(4); CLR_SCL; // 拉低SCL，准备发送数据 }

关键点：
- 必须先保证SCL为高；
- SDA下降后要延时足够时间满足t_SU:STA；
- 最后拉低SCL进入数据传输阶段。

如果这里出错，示波器上看就是没有明显的“凹口”起始信号。

第二步：发送设备地址 + R/W位

所有I2C通信都以一个字节开始：7位地址左移一位，最低位表示读（1）或写（0）。

例如，AHT20地址为0x38，则写操作发送0x70，读操作发送0x71。

uint8_t i2c_send_address(uint8_t addr, uint8_t rw) { return i2c_write_byte((addr << 1) | rw); }

其中i2c_write_byte按位发送：

uint8_t i2c_write_byte(uint8_t byte) { uint8_t i, ack; for (i = 0; i < 8; i++) { if (byte & 0x80) SET_SDA; else CLR_SDA; i2c_delay_us(1); SET_SCL; // 上升沿采样 i2c_delay_us(4); CLR_SCL; i2c_delay_us(1); byte <<= 1; } // 读取ACK SDA_IN(); i2c_delay_us(2); SET_SCL; i2c_delay_us(3); ack = !READ_SDA(); // 低电平为ACK CLR_SCL; SDA_OUT(); return ack; // 返回1表示收到ACK }

重点来了：
- 数据必须在SCL低电平时改变；
- SCL上升沿后保持一段时间供从机采样；
- 发完8位后释放SDA，切换为输入读ACK；
-ACK是低电平有效，即从机拉低才算确认。

如果你发现始终收不到ACK，先检查：
- 地址是否正确？
- 从机是否上电？
- 上拉电阻是否焊好？
- SDA是否被意外锁死？

第三步：读取数据并回应ACK/NACK

读操作稍微复杂一点。主机要在每个字节结束后主动告诉从机：“我还想要”或“到此为止”。

uint8_t i2c_read_byte(uint8_t ack) { uint8_t i, byte = 0; SDA_IN(); for (i = 0; i < 8; i++) { i2c_delay_us(1); SET_SCL; i2c_delay_us(2); byte <<= 1; if (READ_SDA()) byte |= 0x01; CLR_SCL; i2c_delay_us(1); } // 发送ACK/NACK SDA_OUT(); if (ack) CLR_SDA; // ACK: 拉低 else SET_SDA; // NACK: 保持高 i2c_delay_us(1); SET_SCL; i2c_delay_us(3); CLR_SCL; return byte; }

最后一字节通常发NACK，提醒从机停止发送。

第四步：结束通信 —— 停止条件（Stop Condition）

SCL高电平时，SDA由低变高。

void i2c_stop(void) { SDA_OUT(); CLR_SDA; SET_SCL; i2c_delay_us(4); SET_SDA; // SDA上升 i2c_delay_us(4); }

至此，一次完整的通信完成。

实战案例：读取AHT20温湿度传感器

我们来做一个完整例子，验证上面写的驱动能不能跑通。

AHT20通信流程

1. Start
2. 发送写地址（0x70）
3. 收到ACK
4. 发送命令0xE1（初始化）
5. 发送参数0x08, 0x00
6. Stop
7. Delay 10ms
8. Start
9. 发送读地址（0x71）
10. 连续读6字节
11. 主机对前5字节回ACK，第6字节回NACK
12. Stop

封装成函数：

uint8_t read_aht20(float *temp, float *humi) { uint8_t data[6]; uint32_t raw_humi, raw_temp; i2c_start(); if (!i2c_send_address(0x38, 0)) goto fail; i2c_write_byte(0xE1); i2c_write_byte(0x08); i2c_write_byte(0x00); i2c_stop(); delay_ms(10); i2c_start(); if (!i2c_send_address(0x38, 1)) goto fail; data[0] = i2c_read_byte(1); data[1] = i2c_read_byte(1); data[2] = i2c_read_byte(1); data[3] = i2c_read_byte(1); data[4] = i2c_read_byte(1); data[5] = i2c_read_byte(0); // 最后一个NACK i2c_stop(); raw_humi = ((uint32_t)data[1] << 12) | ((uint32_t)data[2] << 4) | (data[3] >> 4); raw_temp = (((uint32_t)data[3] & 0x0F) << 16) | ((uint32_t)data[4] << 8) | data[5]; *humi = (float)raw_humi / 1048576.0f * 100.0f; *temp = (float)raw_temp / 1048576.0f * 200.0f - 50.0f; return 1; fail: i2c_stop(); return 0; }

一次调用，返回温度和湿度值。简单粗暴，但非常可靠。

那些年我们踩过的坑：调试经验分享

别以为写了代码就能一次成功。以下是我亲身经历的问题与解决方案：

❌ 问题1：始终收不到ACK

最常见的原因：
-地址错了：有些芯片文档写的是7位地址，但实际应用要左移一位；
-SDA被卡住：GPIO没配置成输入，或者外部电路短路；
-上拉电阻缺失或过大：用万用表测一下SDA空闲时是不是高电平；
-电源未接稳：从机没工作，自然不会响应。

👉 解决方法：用逻辑分析仪抓波形，看是否有ACK脉冲。

❌ 问题2：读出来的数据全是0xFF或0x00

说明通信建立了，但数据不对。
- 可能是字节顺序搞反了，高位先行还是低位先行；
- 或者采样时机错误，应该在SCL上升沿后立即读，而不是下降沿；
- 也可能是延时太短，从机还没准备好数据。

👉 加大延时试试，特别是SCL上升沿后的等待时间。

❌ 问题3：偶尔通信失败

多半是中断打断了时序。比如SysTick中断打断了延时循环，导致某个高电平持续时间不足。

👉 解决办法：
- 在关键段禁用中断（慎用）；
- 使用DWT这类不受中断影响的延时；
- 加入超时检测，避免死锁。

uint8_t i2c_wait_ack_timeout(uint32_t timeout_us) { uint32_t start = micros(); SDA_IN(); while (READ_SDA()) { if (micros() - start > timeout_us) return 0; } return 1; }

更进一步：如何写出工业级的模拟I2C驱动？

上面的例子够用了，但如果要做产品级开发，还需要考虑更多。

✅ 模块化设计

将底层GPIO操作抽象出来，便于移植：

typedef struct { void (*init)(void); void (*set_scl)(uint8_t level); void (*set_sda)(uint8_t level); uint8_t (*read_sda)(void); void (*delay_us)(uint32_t us); } i2c_bit_ops_t;

这样换MCU只需改操作函数，核心逻辑不变。

✅ 多总线支持

定义多个实例：

i2c_device_t i2c_sensor_bus = { .ops = &sensor_gpio_ops, .speed = 100000 }; i2c_device_t i2c_display_bus = { .ops = &display_gpio_ops, .speed = 400000 };

实现互不干扰的独立通信通道。

✅ 错误处理与重试机制

加入CRC校验、自动重试、状态记录：

uint8_t i2c_write_with_retry(uint8_t addr, uint8_t *buf, int len, int retries) { while (retries-- > 0) { if (i2c_do_write(addr, buf, len) == 0) return 0; delay_ms(10); } return -1; }

提升系统鲁棒性。

写在最后：为什么你应该掌握这项技能？

在这个动辄用HAL库、CubeMX生成代码的时代，还有必要手动写模拟I2C吗？

我的答案是：非常有必要。

因为当你面对一款冷门国产MCU、一份残缺的数据手册、一块无法识别的传感器时，那些高级工具都会失效。唯有深入底层的能力，才能让你从容应对。

而且你会发现，一旦掌握了模拟I2C，SPI、单总线、红外遥控这些协议也都变得不再神秘。它们的本质，不过是一系列精确的时序控制而已。

所以，不妨今晚就动手试试：选一块开发板，接一个I2C传感器，不用任何库，从头写一遍读写流程。当你第一次在串口看到正确的温湿度数值跳出来时，那种成就感，远胜于复制粘贴一百行代码。

如果你在实现过程中遇到了挑战，欢迎留言交流。我们一起debug，一起进步。