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ESP32- 开发笔记- 软件开发 5 -I2C

backend 2025/5/7 7:06:49

1 I2C 背景介绍

ESP32 的 I²C（Inter-Integrated Circuit）总线是一个非常常用的串行通信接口，广泛用于与各种外围设备（如传感器、显示屏、EEPROM 等）进行通信。

1.1 I²C 基本原理

I²C 是一种双线通信协议，使用两根线进行主从式通信：

SDA（Serial Data）：数据线
SCL（Serial Clock）：时钟线
特点包括：

支持多个主机和多个从设备

每个设备通过地址区分（7 位或 10 位地址）

半双工通信（主机控制通信过程）

1.2 ESP32 上的 I²C 特点

1.2.1 控制器

支持多达两个硬件 I²C 控制器：I2C_NUM_0 和 I2C_NUM_1。可以使用任意 GPIO 引脚作为 SDA 和 SCL（自由配置）。

| I²C 通道 | SDA 默认引脚 | SCL 默认引脚 |
| ------   | --------    | --------    |
| I2C0     | GPIO21      | GPIO22      |

1.2.2 速率

ESP32 支持以下 I²C 速度：

标准模式：100 kHz

快速模式：400 kHz

高速模式：ESP32 不原生支持 3.4 MHz（需扩展）

1.3 应用范围

OLED 显示屏（如 SSD1306）
温湿度传感器（如 SHT30、BME280）
EEPROM（如 AT24C32）
IO 扩展芯片（如 PCF8574）

2 配置流程

包含常用的头文件

#include "driver/i2c.h"

2.1 初始化配置结构体

2.1.1 配置函数

esp_err_t i2c_param_config(i2c_port_t i2c_num, const i2c_config_t *i2c_conf);

作用：配置 I²C 控制器的参数，比如 SDA/SCL 引脚、通信速率、主从模式等。

参数：

i2c_num: 控制器编号（如 I2C_NUM_0）

i2c_conf: 配置结构体 i2c_config_t

返回值：成功返回 ESP_OK

2.1.2 例子

i2c_config_t conf = {.mode = I2C_MODE_MASTER,.sda_io_num = GPIO_NUM_21,.scl_io_num = GPIO_NUM_22,.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,.master.clk_speed = 100000, // 100kHz
};
i2c_param_config(I2C_NUM_0, &conf);
ESP_ERROR_CHECK(i2c_param_config(I2C_NUM_0, &conf));

2.2 安装驱动

2.2.1 i2c_driver_install

esp_err_t i2c_driver_install(i2c_port_t i2c_num, i2c_mode_t mode,size_t slv_rx_buf_len, size_t slv_tx_buf_len, int intr_alloc_flags);

作用：安装 I²C 驱动程序，使配置生效。

参数：

i2c_num: I²C 控制器编号

mode: 通信模式（I2C_MODE_MASTER 或 I2C_MODE_SLAVE）

slv_rx_buf_len / slv_tx_buf_len: 从机接收/发送缓冲区大小（主机模式下设为 0）

intr_alloc_flags: 中断分配标志（通常设为 0）

返回值：成功返回 ESP_OK

2.2.2 案例说明

i2c_driver_install(I2C_NUM_0, conf.mode, 0, 0, 0);

2.3 通信操作

2.3.1 i2c_cmd_link_create

 i2c_cmd_handle_t i2c_cmd_link_create();

作用：创建一个 I²C 命令链接句柄，用于构建一次传输过程。
返回值：返回句柄，用于后续写入、读、发送起始信号等操作。

2.3.2 i2c_master_start()

esp_err_t i2c_master_start(i2c_cmd_handle_t cmd_handle);

作用：添加 I²C 起始条件（Start condition），开启通信。
参数：命令句柄 cmd_handle
必须是第一个操作

2.3.3 i2c_master_write_byte()

esp_err_t i2c_master_write_byte(i2c_cmd_handle_t cmd_handle, uint8_t data, bool ack_en);

作用：写入一个字节（通常是地址 + 读写位，或数据）
参数：
data: 要写的字节
ack_en: 是否期望 ACK 应答（设为 true）

2.3.4 i2c_master_write()

esp_err_t i2c_master_write(i2c_cmd_handle_t cmd_handle, const uint8_t *data,size_t data_len, bool ack_en);

作用：连续写多个字节数据

参数：

data: 数据指针

data_len: 长度

ack_en: 每个字节是否检查 ACK

2.3.5 i2c_master_read()

esp_err_t i2c_master_read(i2c_cmd_handle_t cmd_handle, uint8_t *data,size_t data_len, i2c_ack_type_t ack);

作用：读取多个字节的数据

参数：

data: 接收缓冲区

ack: 最后一个字节是否发送 ACK（通常最后一个字节发送 NACK）

2.3.6 i2c_master_stop()

esp_err_t i2c_master_stop(i2c_cmd_handle_t cmd_handle);

作用：添加停止条件（Stop condition），终止通信

2.3.7 i2c_master_cmd_begin()

esp_err_t i2c_master_cmd_begin(i2c_port_t i2c_num, i2c_cmd_handle_t cmd_handle,TickType_t ticks_to_wait);

作用：执行上述构建好的命令链

参数：

ticks_to_wait: 超时时间（如 pdMS_TO_TICKS(1000) 表示等待 1000 ms）

2.3.8 i2c_cmd_link_delete()

esp_err_t i2c_cmd_link_delete(i2c_cmd_handle_t cmd_handle);

作用：释放命令链占用的内存资源

2.4 写数据

esp_err_t i2c_master_write_slave(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, size_t len) {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(cmd, data, len, true);i2c_master_stop(cmd);esp_err_t ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);i2c_cmd_link_delete(cmd);return ret;
}

2.5 读数据

esp_err_t i2c_master_read_slave(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, size_t len) {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_start(cmd);i2c_master_write_byte(cmd, (dev_addr << 1) | I2C_MASTER_READ, true);if (len > 1) {i2c_master_read(cmd, data, len - 1, I2C_MASTER_ACK);}i2c_master_read_byte(cmd, data + len - 1, I2C_MASTER_NACK);i2c_master_stop(cmd);esp_err_t ret = i2c_master_cmd_begin(I2C_MASTER_NUM, cmd, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);i2c_cmd_link_delete(cmd);return ret;
}

3 其他

3.1 SP_ERROR_CHECK 宏详解

ESP_ERROR_CHECK 是 ESP-IDF 中一个非常有用的错误处理宏，它用于检查 ESP-IDF 函数的返回值并自动处理错误。

基本功能

ESP_ERROR_CHECK 宏会检查传入的表达式（通常是函数调用）的返回值.

如果返回值不是 ESP_OK（即发生了错误），打印错误信息（包括错误代码和错误位置），调用 abort() 终止程序执行

// 普通方式
esp_err_t err = i2c_param_config(I2C_NUM_0, &conf);
if (err != ESP_OK) {ESP_LOGE(TAG, "i2c_param_config failed: %s", esp_err_to_name(err));return;
}// 使用 ESP_ERROR_CHECK 简化
ESP_ERROR_CHECK(i2c_param_config(I2C_NUM_0, &conf));