[STM32]——软件模拟I2C

/*
*函数名：i2c_Delay
*形参：无
*返回值：无
*/
static void i2c_Delay(void)
{
    uint8_t i;
    /*
    *下面的时间是通过逻辑分析仪测试得到的。
    *工作条件：CPU主频为72MHZ，MDK编译环境，1级优化
    *循环次数为10时，SCL=205KHZ
    *循环次数为7时，SCL=347KHZ，SCL高电平时间为1.5us,SCL低电平时间为2.87us
    *循环次数为5时，SCL=421KHZ，SCL高电平时间为1.25us,SCL低电平时间为2.375us
    */
    for(i=0;i<10;i++);
}

I2C对应的GPIO配置和宏定义

#ifndef __BSP_I2C_GPIO_H
#define __BSP_I2C_GPIO_H
 
#define EEPROM_I2C_WR	0		/* 写控制bit */
#define EEPROM_I2C_RD	1		/* 读控制bit */
 
 
/* 定义I2C总线连接的GPIO端口, 用户只需要修改下面4行代码即可任意改变SCL和SDA的引脚 */
#define EEPROM_GPIO_PORT_I2C	GPIOB			/* GPIO端口 */
#define EEPROM_RCC_I2C_PORT 	RCC_APB2Periph_GPIOB		/* GPIO端口时钟 */
#define EEPROM_I2C_SCL_PIN		GPIO_Pin_6			/* 连接到SCL时钟线的GPIO */
#define EEPROM_I2C_SDA_PIN		GPIO_Pin_7			/* 连接到SDA数据线的GPIO */
 
 
/* 定义读写SCL和SDA的宏，已增加代码的可移植性和可阅读性 */
/* SCL = 1 */
	#define EEPROM_I2C_SCL_1()  GPIO_SetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SCL_PIN)		
/* SCL = 0 */	
    #define EEPROM_I2C_SCL_0()  GPIO_ResetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SCL_PIN)		
/* SDA = 1 */
	#define EEPROM_I2C_SDA_1()  GPIO_SetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)		
/* SDA = 0 */	
    #define EEPROM_I2C_SDA_0()  GPIO_ResetBits(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)		
/* 读SDA口线状态 */	
	#define EEPROM_I2C_SDA_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, EEPROM_I2C_SDA_PIN)	
 
 
 
#endif

I2C起始信号

PS：编程思想就是结合I2C协议标准，配置GPIO的输出

/*
*函数名：i2c_Start
*形参：无
返回值：无
*/
void i2c_Start(void)
{
    EEPROM_I2C_SDA_1();        //SDA线高电平，这里就是配置了对应的GPIO管脚输出高电平而已
    EEPROM_I2C_SCL_1();
    i2c_Delay();        //需要保证你的SDA线高电平一段时间，如下面SDA=0，这不延时的话，直接变成0
    EEPROM_I2C_SDA_0();
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SCL_0();
    i2c_Delay();
}

I2C停止信号

/*
*函数名：i2c_Stop
*形参：无
返回值：无
*/
void i2c_Stop(void)
{
    EEPROM_I2C_SDA_0();        //SDA线低电平，这里就是配置了对应的GPIO管脚输出高电平而已
    EEPROM_I2C_SCL_1();
    i2c_Delay();         //需要保证你的SDA线高电平一段时间，如下面SDA=0，这不延时的话，直接变成0
    EEPROM_I2C_SDA_1();
}

I2C应答信号相关时序图

I2C等待应答信号

/*
*函数名：i2c_WaitAck
*函数功能：CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK信号
*形参：无
*返回值：返回0表示正确应答，1表示无应答
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
    uint8_t r;
    EEPROM_I2C_SDA_1();        //CPU释放总线
    i2c_Delay();        
    EEPROM_I2C_SCL_1();        //cpu驱动SCL=1，此时器件会返回ACK信号
    i2c_Delay();
    if(EEPROM_I2C_SDA_READ())    //CPU读取SDA线状态
    {
        r = 1;
    }
    else
    {
        r = 0; 
    }
    EEPROM_I2C_SCL_0();
    i2c_Delay();
    return r;
}

I2C应答信号

/*
*函数名：i2c_Ack
*形参：无
*返回值：无
*/
void i2c_Ack(void)
{
    EEPROM_I2C_SDA_0();    //cpu驱动SDA=0
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SCL_1();    //产生一个高电平时钟
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SCL_0();
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SDA_1();    //cpu释放总线
 
}

I2C非应答信号

/*
*函数名：i2c_NAck
*形参：无
*返回值：无
*/
void i2c_NAck(void)
{
    EEPROM_I2C_SDA_1();    //cpu驱动SDA=1
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SCL_1();    //产生一个高电平时钟
    i2c_Delay();
    EEPROM_I2C_SCL_0();
    i2c_Delay();
}

I2C的GPIO初始化配置

/*
*函数名：i2c_GPIO_Config
*形参：无
*返回值：无
*/
static void i2c_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(EEPROM_RCC_I2C_PORT, ENABLE);	/* 打开GPIO时钟 */
 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN | EEPROM_I2C_SDA_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;  	/* 开漏输出 */
	GPIO_Init(EEPROM_GPIO_PORT_I2C, &GPIO_InitStructure);
 
	/* 给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式 */
	i2c_Stop();
}

I2C发送数据(根据数据有效性)

/*
*函数名：i2c_SendByte
*形参：_ucByte:等待发送的字节
*返回值：无
*/
void i2c_SendByte(_ucByte)
{
    uint8_t i;
    /*先发送字节的高bit*/
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        if(_ucByte & 0x80)
        {
            EEPROM_I2C_SDA_1();
        }
        else
        {
            EEPROM_I2C_SDA_0();
        }
        i2c_Delay();
        EEPROM_I2C_SCL_1();
        i2c_Delay();
        EEPROM_I2C_SCL_0();
        if(i == 7)
        {
            EEPROM_I2C_SDA_1();    //释放总线
        }
      _ucByte <<= 1;//左移一个bit
       i2c_Delay();
    }
}

I2C读取数据

/*
*函数名：i2c_ReadByte
*形参：无
*返回值：读取到的数据
*/
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t value = 0;
    /*读取到第一个bit为数据的bit7*/
    for(i = 0;i<8;i++)
    {
        value <<= 1;
        EEPROM_I2C_SCL_1();
        i2c_Delay();
        if(EEPROM_I2C_SDA_READ())
        {
            value++;
        }
        EEPROM_I2C_SCL_0();
        i2c_Delay();
    }
    return value;
}

检测I2C总线设备

/*
*函数名：i2c_CheckDevice
*功能说明：检测I2C总线设备，CPU向发送设备地址，然后读取设备应答来判断该设备是否存在
*形参：_Address
*返回值：返回值0表示正确，返回1表示未检测到设备
*/
uint8_t i2c_CheckDevice(_Address)
{
    uint8_t ucAck;
    i2c_GPIO_Config();    //配置GPIO
    i2c_Start();            //发送启动信号
    /*发送设备地址+读写控制位*/
    i2c_SendByte(_Address | EEPROM_I2C_WR)
    ucACK = i2c_WaitAck();    //检测设备的ACK应答
    i2c_Stop()    //发送停止信号
    return ucAck;
}

以上就是CPU控制GPIO管脚状态实现的I2C协议的各个过程。

下面我们以EEPROM的读写为例子，进行软件I2C的读写控制。

I2C读写EEPROM实验

EEPROM宏定义

* 
 * AT24C02 2kb = 2048bit = 2048/8 B = 256 B
 * 32 pages of 8 bytes each
 *
 * Device Address
 * 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
 * 1 0 1 0 0  0  0  0 = 0XA0
 * 1 0 1 0 0  0  0  1 = 0XA1 
 */
/* AT24C01/02每页有8个字节 
 * AT24C04/08A/16A每页有16个字节 
 */
	
 
#define EEPROM_DEV_ADDR			0xA0		/* 24xx02的设备地址 */
#define EEPROM_PAGE_SIZE		  8			  /* 24xx02的页面大小 */
#define EEPROM_SIZE				  256			  /* 24xx02总容量 */

检测EEPROM外设是否正常

/**
*函数名：ee_CheckOk
*形参：无
*返回值：返回值1表示正常，返回值0表示不正常
*/
uint8_t ee_CheckOk(void)
{
    if(i2c_CheckDevice(EEPROM_DEV_ADDR) == 0)
    {
        return 1;
    }
    else 
    {
        i2c_Stop();        //失败后，一定要把I2C总线信号停止
        return 0;
    }
}

EEPROM读取数据

/*
*函数名：ee_ReadBytes
*形参：usAddress：起始地址
*usSize:数据长度
*ReadBuf：存放读到的数据的缓冲区指针
*返回值：0表示失败，1表示成功
*/
uint8_t ee_ReadBytes(uint8_t *ReadBuf,uint16_t usAddress,uint16_t usSize)
{
    uint16_t i;
    /* 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 */
    /* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
	i2c_Start();
    
    /*第2步，发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读*/
    i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);	/* 此处是写指令 */
 
    /* 第3步：等待ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}
 
    /* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
	i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress);
	
	/* 第5步：等待ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}
    /* 第6步：重新启动I2C总线。前面的代码的目的向EEPROM传送地址，下面开始读取数据 */
	i2c_Start();
	
	/* 第7步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
	i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_RD);	/* 此处是读指令 */
	
	/* 第8步：发送ACK */
	if (i2c_WaitAck() != 0)
	{
		goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
	}	
	
    /* 第9步：循环读取数据 */
	for (i = 0; i < _usSize; i++)
	{
		_pReadBuf[i] = i2c_ReadByte();	/* 读1个字节 */
		
		/* 每读完1个字节后，需要发送Ack， 最后一个字节不需要Ack，发Nack */
		if (i != _usSize - 1)
		{
			i2c_Ack();	/* 中间字节读完后，CPU产生ACK信号(驱动SDA = 0) */
		}
		else
		{
			i2c_NAck();	/* 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) */
		}
	}
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 1;	/* 执行成功 */
 
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 0;
	
}

EEPROM写入数据

/*	函 数 名: ee_WriteBytes
*	功能说明: 向串行EEPROM指定地址写入若干数据，采用页写操作提高写入效率
*	形    参：_usAddress : 起始地址
*			 _usSize : 数据长度，单位为字节
*			 _pWriteBuf : 存放读到的数据的缓冲区指针
*	返 回 值: 0 表示失败，1表示成功
*/
uint8_t ee_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint16_t _usAddress, uint16_t _usSize)
{
	uint16_t i,m;
	uint16_t usAddr;
	
	/* 
		写串行EEPROM不像读操作可以连续读取很多字节，每次写操作只能在同一个page。
		对于24xx02，page size = 8
		简单的处理方法为：按字节写操作模式，每写1个字节，都发送地址
		为了提高连续写的效率: 本函数采用page wirte操作。
	*/
 
	usAddr = _usAddress;	
	for (i = 0; i < _usSize; i++)
	{
		/* 当发送第1个字节或是页面首地址时，需要重新发起启动信号和地址 */
		if ((i == 0) || (usAddr & (EEPROM_PAGE_SIZE - 1)) == 0)
		{
			/*　第０步：发停止信号，启动内部写操作　*/
			i2c_Stop();
			
			/* 通过检查器件应答的方式，判断内部写操作是否完成, 一般小于 10ms 			
				CLK频率为200KHz时，查询次数为30次左右
			*/
			for (m = 0; m < 1000; m++)
			{				
				/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
				i2c_Start();
				
				/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
				i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR);	/* 此处是写指令 */
				
				/* 第3步：发送一个时钟，判断器件是否正确应答 */
				if (i2c_WaitAck() == 0)
				{
					break;
				}
			}
			if (m  == 1000)
			{
				goto cmd_fail;	/* EEPROM器件写超时 */
			}
		
			/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
			i2c_SendByte((uint8_t)usAddr);
			
			/* 第5步：等待ACK */
			if (i2c_WaitAck() != 0)
			{
				goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
			}
		}
	
		/* 第6步：开始写入数据 */
		i2c_SendByte(_pWriteBuf[i]);
	
		/* 第7步：发送ACK */
		if (i2c_WaitAck() != 0)
		{
			goto cmd_fail;	/* EEPROM器件无应答 */
		}
 
		usAddr++;	/* 地址增1 */		
	}
	
	/* 命令执行成功，发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 1;
 
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
	/* 发送I2C总线停止信号 */
	i2c_Stop();
	return 0;
}

STM32 通信协议嵌入式 I2C 学习笔记

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I2C停止信号

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I2C等待应答信号

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I2C非应答信号

I2C的GPIO初始化配置

I2C发送数据(根据数据有效性)

I2C读取数据

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EEPROM宏定义

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