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软件模拟I2C概述
很多人都知道STM32的硬件I2C存在一些BUG，有时候莫名会出现问题，所以业界内大多数情况都会使用软件模拟I2C。使用软件模拟I2C主要是方便程序的移植，只需要修改一下相应的IO口即可。
软件模拟I2C程序
主要思想：其实我觉得软件模拟I2C就是和GPIO配置点灯一样的思想，只不过说结合了I2C的协议标准。
首先为了保证I2C的SDA和SCL的电平的稳定性，一般配置后都需要延时一段时间保证电平的稳定性，网上说是大于4.7us，我在I2C协议手册找到了这个条件。
?I2C延时函数
/*
*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;
}