I2C 总线工作原理：地址与上拉电阻

引言

本站每一个传感器页面都告诉你把 SDA 和 SCL 接上，却没有一页告诉你这两根线在干什么。大多数时候你不需要知道——接上，库能用，传感器就读出数了。

然后你加上第二块板子，第一块就不应答了。或者库返回零，而且不报错。又或者两台设备被发现想要同一个地址，而文档里一个字都没说该怎么办。

这些全都是关于 I²C 的同一小组事实，而它们比症状所暗示的还要少。

两根线，多台设备

I²C 把所有设备放在同一对共享的线上：

• SDA——数据线。
• SCL——时钟，永远由控制器驱动。

在 Arduino Uno 上它们就是 A4 和 A5（以及 AREF 旁边那对重复引脚——就是同样这两根，不是额外的）。每台设备都并联接到同样这两根线上。没有片选线，也没有环形结构：加一台设备就是把它焊到同一对线上。

这就是它在机器人上扩展得如此好的原因。一颗 MPU-6050、一颗 VL53L0X 和一块 PCA9685 共享这两根线，靠地址而不是接线来区分。

没有人把线驱动到高电平

这是其他所有事实的源头。

I²C 设备只能把线拉低。它没法把线驱动到高——输出是开漏的，意思是一个通往地的开关，仅此而已。放着不管，那条线会浮在一个说不上是多少的电压上。

上拉电阻就是让线变成高电平的东西。它们不是一个提高健壮性的措施，也不是可有可无的配件；它们是电路的一半，没有它们总线就没有空闲态，什么都不工作。

开漏有一个真实优势，这也正是它被这么做的原因：如果两台设备同时说话，一台拉低、一台释放，结果就是低。没有谁在对抗，没有谁被短路，而输的那台能检测到。在任何设备都可能发言的总线上，这一点很要紧。

上拉必须待在这个窗口里

两侧都有极限，而且都能算出来。

太小，就没有设备能把线拉下来。规范要求设备在线低于 0.4 V 时至少灌入 3 mA，于是：

R_min = (Vcc − V_OL) / I_sink = (5 − 0.4) / 0.003 = 1533 Ω

太大，上升沿就太慢。线会按一条 RC 曲线针对总线电容上升，而时钟不会等它：

t_rise ≈ 0.85 × R × C        ≤ 1000 ns at 100 kHz, ≤ 300 ns at 400 kHz

现在说到坑人的部分。几乎每块业余级转接板上都已经自带上拉，通常是 4.7 kΩ。把几块接到同一总线上，这些电阻就是并联的：

于是故障有了一个确定的形状：一颗传感器能用，两颗能用，三颗在好日子里能，第四块板子让整条总线停摆。什么都没坏。只是设备再也没法把线拉得足够低，低到能被读成低电平。

修法是把除一块之外所有板子上的上拉电阻拆掉——通常是两颗标着 472 的小贴片电阻，板子的文档会指出是哪两颗。第一次拆时会觉得不对劲，而那恰恰是正确的答案。

在动手调试任何东西之前先扫描总线

在碰库之前，先问问总线上有什么。这段程序逐个尝试地址，并报告哪些有应答：

#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial) {}

  Serial.println(F("Scanning I2C..."));
  uint8_t found = 0;
  for (uint8_t addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print(F("  device at 0x"));
      Serial.println(addr, HEX);
      found++;
    }
  }
  Serial.println(found ? F("done") : F("nothing answered — check wiring and pull-ups"));
}

void loop() {}

结果会告诉你是哪一类问题：

• 什么都没有应答→接线、电源，或者缺上拉。不是库的问题。
• 设备在一个意料之外的地址上应答→某个地址 strap 脚的设置和你以为的不一样。
• 设备有应答，但库返回零→总线没问题，问题在它上面。

最后这一条值得整段程序。它把“线错了”和“代码错了”干净地分开，而这原本占掉了大部分调试时间。

地址，以及 0xD0 那个困惑

I²C 地址是 7 位。有 16 个值被保留，剩 112 个可用。

陷阱在这里。在线上，地址是以七位加上一个读写位发送的，所以它看起来像一个八位值。而数据手册经常引用那个八位形式。Arduino 的 Wire 库要的是七位形式。

MPU-6050 的手册说它的写地址是 0xD0、读地址是 0xD1。而 Wire 库要的是 0x68：

0xD0 = 1101 0000
0x68 = 0110 1000        the same bits, shifted right by one

如果一台设备在手册印出的地址上不应答，在断定板子坏了之前，先试试把那个值右移一位。这是 I²C 最常见的错误，没有之一。

两台设备想要同一个地址时

地址是厂家定的，所以冲突是家常便饭。三种修法，按你该有多喜欢它们来排序：

**一、地址 strap 脚。**零件有这个脚时，这是最便宜的修法。一颗 MPU-6050 坐在 0x68，把 AD0 脚拉高就是 0x69——于是两颗用一根线就能共存。一块 PCA9685 有六个焊接跳线给出 64 个地址，这就是为什么一条总线上能串 62 块板子。

**二、重定址一个的时候把别的按在复位。**有些零件地址固定，但可以在运行时重新编程。一颗 VL53L0X 出厂永远是 0x29，而跑多颗的标准做法就是这样：把每颗传感器的 XSHUT 脚拉低，放起一颗，告诉它换到一个新地址，然后重复。新地址住在 RAM 里，所以每次开机都要重跑一遍这个序列。

**三、多路器。**一颗 TCA9548A 是住在 0x70 的一台设备，后面带八路切换总线。选一个通道，和上面那台设备说话，再选下一个。它是那种既没有 strap 脚又不能重定址的八颗相同传感器的答案——代价是多一个零件，以及总线变成一次只能伺候一个。

速度、长度，以及真正会断的是什么

I²C 是为同一块板上的芯片之间设计的。机器人把它拉横跨整个底盘，而极限就是从那里开始咬人的。

• **真正的极限是电容，不是长度。**规范允许总共 400 pF。排线每米大约加 50–100 pF，每台设备大约加 10 pF。跑长了失败，是因为上升沿变得太慢——上面那张图里表现为天花板下降。
• 降速比放弃更有用。Wire.setClock(50000) 把标准速率减半，在一条勉强的总线上能买到实打实的余量。一台以 100 Hz 轮询传感器的机器人不需要 400 kHz。
• **让 SDA 和 SCL 离远一点。**在排线里把它们作为相邻的一对走，会把时钟边沿耦合进数据。在它们之间加一根地线会有帮助。
• **时钟拉伸。**需要时间的设备会把 SCL 拉低保持，控制器必须等。真正的硬件 I²C 处理得了；有些位操作实现处理不了，而症状是这台设备单独工作正常、一忙起来就损坏数据。
• **总线卡死。**如果一台设备在传输中途被复位，它可能一直把 SDA 按在低电平，于是每次扫描都什么都返回。往 SCL 上打九个脉冲，能让它把以为自己正在发的那个字节发完、释放线路——好的库里的恢复例程做的正是这件事。

混用 3.3 V 和 5 V

ESP32 和树莓派 的 I²C 跑在 3.3 V；Uno 跑在 5 V。因为总线是开漏的，**上拉电压替整条总线决定高电平。**挂着一颗只能用 3.3 V 的零件却把上拉接到 5 V，就是把 5 V 灌进一个额定 3.6 V 的引脚。

有两样东西大多数时候救你，而知道自己依赖的是哪一样很值得：

• 很多标“5 V 兼容”的转接板，板上已经有一颗 3.3 V 芯片加上稳压器和电平转换。假设之前先查——只看到有稳压器并不意味着信号脚受保护。
• 没有的话，双向 MOSFET 电平转换器是标准答案。电阻分压不行：它会在要紧的那个方向上破坏开漏行为。

出问题时

有用的习惯是每次都先跑扫描器，在打开任何库的源码之前。它花三十秒，却把问题劈成两半——而所有 I²C 调试里有一半，是不知道故障在线的哪一边。