两根线，为什么能接多个传感器？｜单片机动画课 08

上一课的 UART 像两台设备互相说话。现在想接多个传感器，如果每台都独占一组信号线，引脚很快就不够用了。

I²C 提供了另一种组织方法：让多个设备共享 SDA 数据线与 SCL 时钟线，由控制器用地址指出本次要交流的对象。两根是信号线，供电与共同参考仍然需要安排。

本文采用单控制器、7 位地址的常见 I²C 模型。动画非仿真、非实测，时间放慢；设备地址和寄存器数据为教学设定，不冒充真实传感器读数。

大家共用线路，先听清在叫谁

把 SDA 和 SCL 想成共享的通道。控制器开始一次传输，发出目标地址和读写方向；地址匹配的设备参与应答，其余设备通常不参与这次数据交换。

图中设备 A 的地址设为 0x48，设备 B 为 0x50。高亮表示本次寻址的对象，并不是给那根线切换了一条独占物理通路。线上信号仍会到达连接在总线上的其他设备。

设备地址并不保证天然互不相同。同型号模块可能出厂地址相同，有的允许通过引脚或寄存器修改，有的需要其他方式隔离选择。同一总线上出现相同地址时，不能期待控制器自动知道你在叫哪一个。

谁负责把线拉高？

在常见 I²C 电气连接中，设备通过开漏等方式把线路拉低，松手后的高电平则依靠上拉电阻形成。这与主动推高、拉低的普通推挽 GPIO 有区别。

第二课讲过上拉提供默认高电平。在这里，两条总线也各需要合适的上拉。实际模块可能已带电阻，但并联数量、阻值和总线电容都影响通信，不能只看到有电阻就忽略电气条件。

控制器发出七位地址，再发一位读写方向。例子选择地址 0x48、写方向 0，于是线上这八位组成 0x90。I²C 字节按高位先发，与上一课 UART 常见的低位先发不同。

接下来第九个时钟留给 ACK：接收方拉低 SDA，表示应答；不拉低则是 NACK。发送方在应答位释放 SDA，不能一边强行维持自己的数据，一边期待对方接管。

SCL 提供时序参照。正常数据位在 SCL 高电平期间应保持稳定；起始和停止条件是专门定义的例外。动画只展开一个地址字节与 ACK，完整传输前后还要有相应控制条件。

读寄存器，常常要先告诉它读哪里

许多传感器把配置和结果安排在编号不同的寄存器里。“找到设备地址”只是找到设备，寄存器地址才进一步指出设备内部的位置。

第三张图采用一种常见流程：开始，发设备地址并选择写；对方 ACK；写入寄存器编号并收到 ACK；重复起始，再发同一设备地址并选择读；对方 ACK 后返回数据。控制器在最后一个字节后发 NACK，再停止。

图中虚构寄存器 0x01 返回 0x2A，只用于说明流程。真实器件可能用不同寄存器宽度、不同字节顺序或不同事务要求，必须查它自己的数据手册。

在 Arduino Wire 中，beginTransmission() 传入的是 7 位地址；不要因为线上写方向字节是 0x90，就把 0x90 当作这个 API 的设备地址。库通常会负责组合方向位。本文先不放完整读寄存器代码，以免一个虚构设备例子被当成可直接驱动真实传感器的程序。

一个常见误区

“地址有七位，所以可以随意接满 128 台设备。”七位有 128 种编码，但其中包含保留用途；实际还受地址冲突、上拉、电容、布线和器件能力等约束。编码数量不等于一根总线保证能挂载的设备数量。

ACK 也只表明相应阶段收到应答，不保证最终测量值一定正确、传感器已经完成采样，或应用逻辑已经成功。

看完再猜

如果读完最后一个字节，控制器发出 NACK，是不是必然说明通信失败？

不一定。在这里，它是在告诉发送数据的设备：这次不再继续接收下一个字节。下一课，我们把视线转回 CPU：外部事件突然发生时，程序能不能先去处理一下再回来？

资料：NXP I²C 总线规范 UM10204、Arduino Wire。

发现更多好玩的开源项目

专注 Arduino、开源硬件、端侧 AI 和值得收藏的开发者工具。

长按二维码关注「GitStar」