在嵌入式开发中，传感器数据采集是核心场景之一，而 I2C（Inter-Integrated Circuit）作为仅需两根线的同步串行通信协议，因接线简洁、支持多设备挂载，成为传感器与 MCU 通信的首选方案。nRF Connect SDK 基础课程第六课串行通信（I2C）聚焦 I2C 协议基础与 SDK 驱动实战，通过两个适配不同硬件的实操练习，让开发者掌握直接使用 I2C API 与传感器交互的能力（而非依赖封装好的传感器驱动）。
课程定位：掌握传感器 I2C 通信核心能力
在前序课程中，我们已掌握 UART 串口通信的异步驱动开发，而 I2C 作为传感器专属通信协议，应用场景更为聚焦。本课作为传感器通信入门课，核心目标是让开发者理解：
- I2C 协议的双线通信原理、速率与寻址机制
- nRF Connect SDK 中 I2C 驱动的启用与配置方法
- 如何通过 I2C API 直接读写传感器寄存器
- 实战：与 BH1749 颜色传感器或 BME280 环境传感器完成数据交互
本课面向嵌入式软件工程师、固件开发者及传感器应用爱好者，需注意两个练习适配不同硬件（普通 DK 适配 BME280，Thingy 系列适配 BH1749），完成任一即可掌握 I2C 核心开发能力。
核心学习目标
完成本课学习后，你将能够：
- 理解 I2C 协议的双线结构（SCL/SDA）、通信速率与设备寻址机制
- 在 nRF Connect SDK 中启用 I2C 驱动，通过设备树获取 I2C 节点信息
- 熟练使用 I2C 核心 API（i2c_write_dt()、i2c_burst_read_dt()）读写传感器寄存器
- 独立完成传感器初始化配置与数据采集流程
- 适配不同硬件平台（普通 DK/Thingy 系列）完成 I2C 通信实战
- 理解 I2C 多设备挂载的核心原理与地址冲突规避方法
核心知识模块：I2C 协议基础与 SDK 驱动核心
本课核心知识围绕 “I2C 协议原理 - SDK 驱动配置 - API 使用” 三层展开，所有知识点均为传感器通信实战服务，无额外冗余内容。
模块一：I2C 协议基础
I2C 是双线同步串行通信协议（又称两线接口 TWI），专为短距离板内设备互联设计，所有 Nordic SoC 均至少集成一个 I2C 控制器，支持两种工作角色：
- 控制器（Controller）：发起通信、控制时钟信号（SCL）
- 目标设备（Target）：响应控制器指令，被动传输数据（如传感器）
1. 核心硬件特性
- 通信线路：仅需两根线 —— 串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA），所有设备共接这两根线
- 通信速率：支持三种标准速率，默认 100 kbps
- 标准速率（I2C_BITRATE_STANDARD）：100 kbps
- 快速速率（I2C_BITRATE_FAST）：400 kbps
- 高速速率（I2C_BITRATE_FAST_PLUS）：1000 kbps
- 设备寻址：每个目标设备拥有唯一地址，默认 7 位地址（部分设备支持 10 位地址），用于控制器区分总线上的不同设备
2. 通信核心原理
- SCL 由控制器生成，同步所有设备的通信时序；
- SDA 为双向数据线，数据传输方向由控制器指令决定（读 / 写）；
- 支持多设备挂载：同一 I2C 总线上可连接多个目标设备，通过唯一地址区分，无需额外增加通信线路。
模块二：nRF Connect SDK I2C 驱动核心
nRF Connect SDK 基于 Zephyr RTOS 提供标准化 I2C 驱动，核心开发流程与 GPIO、UART 保持一致，遵循 “启用驱动 - 获取设备 - 配置参数 - 调用 API” 的统一范式。
1. 驱动启用（prj.conf）
需在工程配置文件中启用 I2C 驱动，若使用 TF-M 安全固件，需额外禁用冲突的 UART 日志：
# 基础I2C驱动启用
CONFIG_I2C=y
# 支持浮点格式打印（用于传感器数据输出）
CONFIG_CBPRINTF_FP_SUPPORT=y
# TF-M环境下禁用安全UART（避免地址冲突）
CONFIG_TFM_SECURE_UART=n
CONFIG_TFM_LOG_LEVEL_SILENCE=y
2. 头文件引入
#include <zephyr/drivers/i2c.h> // I2C核心API
#include <zephyr/sys/printk.h> // 控制台打印
3. 设备树相关操作
I2C 设备的总线信息、传感器地址等已在设备树中定义（内置传感器）或需通过 overlay 文件配置（外置传感器），核心操作如下：
- 通过节点标签获取 I2C 节点标识：DT_NODELABEL(bh1749)（以 BH1749 为例）
- 获取 API 专属设备结构：I2C_DT_SPEC_GET(I2C_NODE)，封装总线指针、设备地址等信息
- 设备就绪检查：device_is_ready(dev_i2c.bus)，确保 I2C 总线可正常使用
4. 核心 API 介绍
本课重点使用两个核心 API 完成寄存器读写，适配传感器通信场景：
- 寄存器写操作：i2c_write_dt(const struct i2c_dt_spec *spec, const void *buf, size_t len)
- 功能：向指定 I2C 设备的目标寄存器写入数据
- 参数：设备规格（spec）、数据缓冲区（buf，含寄存器地址 + 数据）、数据长度（len）
- 寄存器连续读操作：i2c_burst_read_dt(const struct i2c_dt_spec *spec, uint8_t reg, void *buf, size_t len)
- 功能：从指定寄存器开始，连续读取多个字节数据（适用于传感器多字节数据寄存器）
- 参数：设备规格（spec）、起始寄存器地址（reg）、接收缓冲区（buf）、读取长度（len）
经典案例拆解：BH1749 颜色传感器 I2C 通信
本课以 Thingy:53/Thingy:91 内置的 BH1749 颜色传感器为核心案例，该传感器通过 I2C 接口输出 RGB（红、绿、蓝）三色光强数据，每个颜色值占 2 字节，通信流程分为 “传感器初始化 - 数据采集 - 数据解析” 三步。
通信核心逻辑
- 初始化：向 MODE_CONTROL1 寄存器写入配置值（设置增益、测量周期），向 MODE_CONTROL2 寄存器写入使能指令（开启 RGB 测量）；
- 数据采集：从 RED_DATA_LSB 寄存器开始，连续读取 6 字节数据（RGB 各 2 字节，LSB+MSB）；
- 数据解析：将每个颜色的高低字节拼接为 16 位数值，输出实际光强数据。
实操练习：Thingy 系列板载 BH1749 传感器数据读取
本练习适配 Thingy:53/Thingy:91（Thingy:91 X 不支持），完整保留官方课程代码块与步骤，实操性极强。
步骤 1：工程准备
- 从课程 GitHub 仓库获取基础代码，路径为l6/l6_e2；
- 按前文要求配置prj.conf，启用 I2C 驱动与浮点打印支持。
步骤 2：引入头文件与定义寄存器地址
#include <zephyr/drivers/i2c.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>
// BH1749核心寄存器地址（来自传感器 datasheet）
#define BH1749_SYSTEM_CONTROL 0x40
#define BH1749_MODE_CONTROL1 0x41
#define BH1749_MODE_CONTROL2 0x42
#define BH1749_RED_DATA_LSB 0x50
// 配置常量
#define BH1749_MODE_CONTROL2_RGB_EN_ENABLE BIT(4) // 开启RGB测量
#define BH1749_MODE_CONTROL1_DEFAULTS 0x2A // IR/RGB增益x1，测量周期120ms
步骤 3：获取 I2C 设备并检查就绪状态
// 获取BH1749传感器的I2C节点标识
#define I2C_NODE DT_NODELABEL(bh1749)
// 从设备树获取I2C设备规格（总线、地址等）
static const struct i2c_dt_spec dev_i2c = I2C_DT_SPEC_GET(I2C_NODE);
// 检查I2C总线是否就绪
if (!device_is_ready(dev_i2c.bus)) {
printk("I2C bus %s is not ready!\n\r", dev_i2c.bus->name);
return -1;
}
步骤 4：初始化 BH1749 传感器
通过 I2C 写入操作配置传感器工作模式：
int ret;
// 配置MODE_CONTROL1寄存器（设置增益与测量周期）
char buff1[] = {BH1749_MODE_CONTROL1, BH1749_MODE_CONTROL1_DEFAULTS};
ret = i2c_write_dt(&dev_i2c, buff1, sizeof(buff1));
if (ret != 0) {
printk("Failed to write to I2C device address 0x%x at Reg. 0x%x\n", dev_i2c.addr, BH1749_MODE_CONTROL1);
return ret;
}
// 配置MODE_CONTROL2寄存器（开启RGB测量）
char buff2[] = {BH1749_MODE_CONTROL2, BH1749_MODE_CONTROL2_RGB_EN_ENABLE};
ret = i2c_write_dt(&dev_i2c, buff2, sizeof(buff2));
if (ret != 0) {
printk("Failed to write to I2C device address 0x%x at Reg. 0x%x\n", dev_i2c.addr, BH1749_MODE_CONTROL2);
return ret;
}
步骤 5：采集并解析 RGB 数据
通过连续读操作获取 6 字节数据，拼接为 RGB 实际值并打印：
uint8_t rgb_value[6] = {0}; // 存储RGB各2字节数据（LSB+MSB）
// 从RED_DATA_LSB寄存器开始，连续读取6字节
ret = i2c_burst_read_dt(&dev_i2c, BH1749_RED_DATA_LSB, rgb_value, sizeof(rgb_value));
if (ret != 0) {
printk("Failed to read from I2C device address 0x%x at Reg. 0x%x\n", dev_i2c.addr, BH1749_RED_DATA_LSB);
return ret;
}
// 拼接高低字节，输出RGB值（格式：LSB | (MSB << 8)）
printk("_______________________________\n");
printk("Red Value:\t %d\n", (rgb_value[0] | rgb_value[1] << 8));
printk("Green Value:\t %d\n", (rgb_value[2] | rgb_value[3] << 8));
printk("Blue Value:\t %d\n", (rgb_value[4] | rgb_value[5] << 8));
步骤 6：编译烧录与测试
- 编译配置：Thingy:91 选择目标板thingy91_nrf9160_ns，Thingy:53 选择thingy53_nrf5340_cpuapp_ns；
- 烧录程序到开发板；
- 测试验证：通过串口终端查看 RGB 数据输出，遮挡传感器或改变环境光颜色，观察数据变化（遮挡时数值显著降低，特定颜色光下对应通道数值升高）。
补充：BME280 传感器练习适配说明
若使用普通 Nordic DK（如 nRF54L15 DK），可选择 Exercise 1（BME280 环境传感器），核心差异如下：
- 硬件要求：需外接支持 I2C 的 BME280 传感器板（如 Waveshare 15231、Adafruit BME280）；
- 接线方式：DK 的 P1.11（SCL）、P1.12（SDA）连接传感器对应引脚，同时连接 VCC 与 GND；
- 核心流程：通过 I2C 配置 BME280 工作模式（正常模式 / 强制模式），连续读取温度、气压、湿度寄存器数据，使用传感器内置校准参数计算实际值。
课后测评
本课配套课后测验，核心考察内容包括：
- I2C 协议的线路组成、通信速率与寻址机制；
- nRF Connect SDK 中 I2C 驱动的启用与设备树操作；
- i2c_write_dt()与i2c_burst_read_dt()的参数含义与使用场景；
- 传感器寄存器读写的核心流程；
- 不同 I2C 设备的地址冲突规避方法。
通过测评可快速检验核心知识点掌握情况，查漏补缺。
本课学习价值
I2C 协议是绝大多数传感器（如温湿度、加速度、颜色、气压传感器）的标准通信接口，本课教授的 “直接操作 I2C API 读写寄存器” 的方法，是理解传感器工作原理的核心途径 —— 相比使用封装好的传感器驱动，这种方式能让开发者更灵活地配置传感器参数、适配特殊场景。
掌握本课内容后，你将具备与任意 I2C 接口传感器通信的能力，可直接应用于物联网数据采集、工业监测、智能硬件等场景，同时为后续 SPI 协议学习、多传感器协同采集打下基础。