I2C学习笔记-软件模拟I2C

发布于：2025-02-20 ⋅ 阅读:(26) ⋅ 点赞:(0)

I2C学习笔记（软件模拟）

介绍

I2C的信号大概有 起始信号、应答信号、停止信号、写数据、读数据、无应答信号等，每个信号都有其不同的特点时序要求。

参考视频思路：https://www.youtube.com/watch?v=6IAkYpmA1DQ

参考资料：正点原子HAL库介绍

GPIO的配置

/**
 * @brief       初始化IIC
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void iic_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SCL引脚时钟使能 */
    IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();  /* SDA引脚时钟使能 */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SCL_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;        /* 推挽输出 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                /* 上拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;      /* 高速 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);/* SCL */

    gpio_init_struct.Pin = IIC_SDA_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;        /* 开漏输出 */
    HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);/* SDA */
    /* SDA引脚模式设置,开漏输出,上拉, 这样就不用再设置IO方向了, 开漏输出的时候(=1), 也可以读取外部信号的高低电平 */

    iic_stop();     /* 停止总线上所有设备 */
}

/* 引脚 定义 */

#define IIC_SCL_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SCL_GPIO_PIN                GPIO_PIN_6
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */

#define IIC_SDA_GPIO_PORT               GPIOB
#define IIC_SDA_GPIO_PIN                GPIO_PIN_7
#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */

/******************************************************************************************/

/* IO操作 */
#define IIC_SCL(x)        do{ x ? \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_GPIO_PORT, IIC_SCL_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SCL */

#define IIC_SDA(x)        do{ x ? \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
                              HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
                          }while(0)       /* SDA */

#define IIC_READ_SDA     HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_GPIO_PORT, IIC_SDA_GPIO_PIN) /* 读取SDA */

信号的展示

起始信号 与 停止信号

起始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变

停止信号：当SCL位高电平时，SDA由低电平向高电平跳变

在这里插入图片描述

代码实现


/*SCL SAD都由1跳变到0*/
void I2CStart(void)
{
/* SCL为高电平期间, SDA从高电平往低电平跳变*/
    IIC_SDA ( 1 );	
	IIC_SCL ( 1 );
    iic_delay( );
    
 	IIC_SDA ( 0 );	
 	iic_delay( );
    IIC_SCL ( 0 );	
 	iic_delay( ); 
    /* 钳住总线, 准备发送/接收数据 */

}

抓包数据
在这里插入图片描述

​

/*SCL SDA 都由0跳变到1*/
void I2CStop(void)
{
 /* SCL为高电平期间, SDA从低电平往高电平跳变*/
    IIC_SDA ( 0 );	
	iic_delay( );
 	IIC_SCL ( 1 );	
 	iic_delay( );

    
    IIC_SDA ( 1 ); 	/* 发送总线停止信号*/
 	iic_delay( );


}

在这里插入图片描述

应答信号（非应答信号）

在发送完数据后，SCL为高电平，如果SDA为低电平则为应答信号。因为I2C外部默认上拉，如果为低电平时就说明从机在响应了，如果还是高电平就说明从机没有动作。

在这里插入图片描述

数据线为低位时，表示应答

void iic_ack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);	
	iic_delay( );
 	IIC_SDA (0);  /* 数据线为低电平，表示应答 */
 	iic_delay( );
    IIC_SCL (1); 	
 	iic_delay( );
}

在这里插入图片描述

数据线为高位时，说明从机没动作，被上拉至高电平，说明没有应答。

void iic_nack(void)
{ 
    IIC_SCL (0);	
	iic_delay( );
 	IIC_SDA (1);  /* 数据线为高电平,表示非应答 */
 	iic_delay( );
    IIC_SCL (1); 	
 	iic_delay( );
}

在这里插入图片描述

检测应答信号

检测应答信号，是在SCL为高电平的时候检测的，所以首先SDA为高电平，上拉电阻的存在，表示是释放了SDA，然后将SCL拉高，延时等待SDA是否为低电平，如果SDA为低电平，表示是从机发来的应答信号，为高电平则说明从机没有应答。

uint8_t iic_wait_ack (void) /* return 1:fail 0:succeed*/
{	
	IIC_SDA (1);  /* 主机释放SDA线 */
	iic_delay( );
	IIC_SCL (1);  /* 从机返回ACK*/ 	
 	iic_delay( );
	if ( IIC_READ_SDA ) /* SCL高电平读取SDA状态*/ 
	{
		iic_stop();	    /* SDA高电平表示从机nack */ 
		return 1;
	}
	IIC_SCL(0);	 /* SCL低电平表示结束ACK检查 */ 
 	iic_delay( );
	return 0;
}

发送一个字节数据

一个字节数据默认为8位，首先先发高位，

0x80就是 1000 0000，所以经过8次循环，每一次取得最高位然后左移7 发送出去，发送出去后数据位左移动一位，用于下一次循环的发送。

当SCL为高电平时，数据位有效，所以

void iic_send_byte(uint8_t data)
{
	for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
	{	/* 高位先发 */
		IIC_SDA((data & 0x80) >> 7);
 		iic_delay( );
 		IIC_SCL ( 1 );	
 		iic_delay( );
 		IIC_SCL ( 0 );
		data <<= 1; /* 左移1位, 用于下一次发送 */
	}
	IIC_SDA ( 1 ); 	/* 发送完成,主机释放SDA线 */ 
}

波形图分析：

在这里插入图片描述

接收一个字节数据

接收数据，当数据在SCL为高电平时，说明数据有效。也会是先把SCL拉高，延时等待，让后去读取SDA的电平作为接收的数据，每次在SDL为高电平的时候接收，每接收一位数据就左移一位，最后组成8位数据。

如果是0 的话，就+0 如果是1的话就+1 让后接收完左移1

如 0xaa 1010 1010

第0次 rec = 0

第一次 rec=1 0000 0001 <<1 0000 0010

第二次 rec=0 0000 0010 <<1 0000 0100

第三次 rec=1 0000 0101 <<1 0000 1010

第四次 rec=0 0000 1010 <<1 0001 0100

第五次 rec=1 0001 0101 <<1 0010 1010

第六次 rec=0 0010 1010 <<1 0101 0100

第七次 rec=1 0101 0101 <<1 1010 1010

uint8_t iic_read_byte (uint8_t ack) /* 1:ack 0:nack*/
{ 
	uint8_t receive = 0 ;
	for (uint8_t t = 0; t < 8; t++)
	{	/* 高位先输出，先收到的数据位要左移 */ 
		receive <<= 1;		
		IIC_SCL ( 1 );	
 		iic_delay( );
		if ( IIC_READ_SDA ) receive++;
 		IIC_SCL ( 0 );
		 iic_delay( );
	}
	if ( !ack ) iic_nack();
	else iic_ack();
	return receive; 	
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

硬件配置

在这里插入图片描述

为什么IIC总线SDA建议用开漏模式？

IIC的SDA脚即要作为输出，又要作为输入，用开漏输出模式，很好实现输出输入共用，避免IO模式频繁切换带来的麻烦。

**输出时：**主机（MCU）输出0，可以拉低信号，来实现低电平发送，主机输出1（实际不起作用），由外部上拉电阻上拉，实现高电平发送。

**输入时：**主机（MCU）设置输出1状态，此时因为MCU无法输出1，相当于释放了SDA脚，此时外部器件可以主动拉低SDA脚/释放SDA脚（同样由上拉电阻提供“输出1的功能”），实现SDA脚的高低电平变化。

由于开漏输出模式下，MCU还是可以读取IDR状态寄存器，来获取引脚高低电平，因此MCU读取IDR，即可获得SDA脚的高低电平状态，从而实现输入检测。

实物测试

实物采用USB转I2C调试器和调试工具，接逻辑分析仪和I2C从机AT24C02来读取和写入EEPROM中地址0的数据。

在这里插入图片描述

开始抓包 读取AT24C02地址为0xA0的寄存器0的数据

写入数据

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