STM32之IO口模擬IIC

本文介紹如何使用STM32標准外設庫的GPIO端口模擬IIC，本例程使用PB6和PB7模擬一路IIC。

本文適合對單片機及Ｃ語言有一定基礎的開發人員閱讀，MCU使用STM32F103VE系列。

 

1.    簡介

IIC (Inter－Integrated Circuit)總線，也可寫作I2C，是PHILIPS 公司開發的兩線式串行總線，用於多設備之間通訊，分為主機Master和從機Slave，主機和從機可以有多個，但一般情況下只有一個主機，從機之間可以通過地址進行區分，不同種類的設備地址不同，如果同時接入多個相同種類的設備，可以通過片選信號對從機進行選擇。通訊只能由主機發起，支持的操作分為讀取和寫入，即主機讀取從機的數據，以及向從機寫入數據。

I2C兩線分別是時鍾線SCL和數據線SDA，其中SCL和SDA均由主機控制，可以設置成開漏輸出模式。

2.    協議說明

2.1. 總線傳輸信號

• 空閑狀態：IIC空閑狀態時SCL和SDA均輸出高電平，初始狀態以及發送結束信號之后均為空閑狀態。
• 開始信號：START，簡寫S，SCL為高電平，SDA由高電平向低電平跳變。
• 結束信號：STOP，簡寫P，SCL為高電平，SDA由低電平向高電平跳變。
• 從機地址：SLAVE_ADDRESS，每種從機都有一個表示該設備的地址，地址一般為7位，主機發起通訊時，通過 SDA 信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機，緊跟設備地址的一個數據位用來表示數據傳輸方向（R/W位），數據方向位為“1”時表示主機由從機讀數據，數據方向位為“0”時表示主機向從機寫數據。從機接收到匹配的地址后，會返回一個應答(ACK)信號，只有接收到應答信號后，主機才能繼續發送或接收數據。
• 響應信號：ACK/NACK，簡寫A，響應包括應答（ACK）和非應答（NACK），當數據接收端時，當設備(無論主從機)接收到 I2C 傳輸的一個字節數據或地址后，若希望對方繼續發送數據，則需要向對方發送“應答(ACK)”信號，即SDA為低電平，發送方會繼續發送下一個數據；若接收端希望結束數據傳輸，則向對方發送“非應答(NACK)”信號，即SDA為高電平，發送方接收到該信號后會產生一個停止信號，結束信號傳輸。
• 主機寫入：SCL為高電平時，SDA有效，SDA為輸出模式，主機控制SDA輸出高電平時表示寫入1，SDA輸出低電平時表示寫入0。
• 主機讀取：SCL為高電平時，SDA有效，SDA為輸入模式，主機讀取SDA高電平時表示輸入1，SDA低電平時表示輸入0。此時主機釋放對 SDA 信號線的控制，由從機控制 SDA 信號線，主機接收信號。

2.2. 基本讀寫過程

• 寫數據：主機先發一個開始信號(S)，然后發送從機地址(SLAVE ADDRESS)，后續跟上寫信號(R/W位為0)，然后等待從機的應答信號(ACK位為0)，主機向從機傳輸數據(DATA)，數據包為1個字節共8位，從高位到低位依次發送，主機每發送完1個字節數據，都要等待從機的應答信號(ACK)，重復這個過程，可以向從機傳輸 N 個數據，當數據傳輸結束時，主機向從機發送一個停止傳輸信號(P)，表示不再傳輸數據。
• 讀數據：主機先發一個開始信號(S)，然后發送從機地址(SLAVE ADDRESS)，后續跟上讀信號(R/W位為1)，然后等待從機的應答信號(ACK位為0)，主機從從機讀取數據(DATA)，數據包為1個字節共8位，從高位到低位依次發送，從機每發送完1個字節數據，都要等待主機的應答信號(ACK)，重復這個過程，可以從從機讀取 N 個數據，當主機希望停止接收數據時，就向從機返回一個非應答信號(NACK)，則從機自動停止數據傳輸，主機再向從機發送一個停止傳輸信號(P)，表示不再傳輸數據。
• 讀和寫數據：除了基本的讀寫，I2C 通訊還有一種是復合讀寫模式，該傳輸過程有兩次起始信號(S)。一般在第一次傳輸中，主機通過 SLAVE_ADDRESS 尋找到從設備后，發送一段“數據”，這段數據通常用於表示從設備內部的寄存器或存儲器地址(注意區分它與 SLAVE_ADDRESS 的區別)；在第二次的傳輸中，對該地址的內容進行讀或寫。也就是說，第一次通訊是告訴從機讀寫地址，第二次則是讀寫的實際內容。

  

2.3. 速度模式

標准模式傳輸速率為100kbit/s，即10us可以傳輸一個bit，如果用GPIO模擬I2C時電平變換時需要增加適當的延時。

3.    初始化

初始化跟普通GPIO類似，只是輸出模式設置為開漏輸出。

其中SCL始終輸出信號，但SDA需要支持輸出信號和讀取信號，當設置為開漏輸出時，如果需要輸出信號，則正常輸出即可，如果需要讀取信號，則MCU將SDA輸出高電平，此時如果從機輸出低電平，則SDA被拉低，此時MCU可以讀到低電平。即GPIO引腳為開漏輸出模式時，MCU輸出高電平時，即釋放了該引腳的控制，此時該引腳的電平取決於從機的輸出，且MCU仍可以讀取該引腳的電平。

GPIO初始化完成之后，可以將SCL和SDA置為高電平，即釋放該引腳的控制，如果總線上有多個主機，則不會干擾其他設備的通訊。

4.    信號模擬

需要按照通訊信號的時序，實現START、STOP、ACK、NACK、Read、Write和WaitAck信號。

 

完整代碼（僅自己編寫的部分）

#define IIC_SCL_1    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)            /* SCL = 1 */
#define IIC_SCL_0    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)        /* SCL = 0 */

#define IIC_SDA_1    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)            /* SDA = 1 */
#define IIC_SDA_0    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)        /* SDA = 0 */

#define IIC_READ_SDA()    GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7)    /* 讀SDA口線狀態 */

//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{                         
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);    
       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD ;   //開漏輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
    IIC_Stop();
}

//產生IIC起始信號
//SCL為高電平時SDA由高變低
/*
SCL:￣￣￣￣￣＼＿
SDA:￣￣＼＿＿＿＿
*/
void IIC_Start(void)
{
    IIC_SDA_1;
    IIC_SCL_1;
    delay_us(4);
     IIC_SDA_0;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_0;
}      

//產生IIC停止信號
//SCL為高電平時SDA由低變高
//IIC空閑時SCL和SDA均輸出高電平，這樣不會干擾其他設備的收發
/*
SCL:￣￣￣￣
SDA:＿＿／￣
*/
void IIC_Stop(void)
{
    IIC_SDA_0;
    IIC_SCL_1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA_1;
}

//等待應答信號到來
//返回值：1，接收應答失敗
//        0，接收應答成功
uint8_t IIC_WaitAck(void)
{
    uint8_t errCount = 0;
    uint8_t ack = 0;
    
    IIC_SDA_1;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_1;
    delay_us(4);     

    while(IIC_READ_SDA())
    {
        errCount++;
        if(errCount > 250){
            ack = 1;
            break;
        }
    }
    IIC_SCL_0;
    
    return ack;
} 

//產生應答ACK
//SCL為高電平時SDA為低電平表示應答
/*
SCL:    ￣￣＼＿＿＿＿
SDA:＿＿＿＿＿＿＿／￣
*/
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SDA_0;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_1;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_0;
    delay_us(4);
    IIC_SDA_1;        //釋放SDA
}

//產生非應答NACK
//SCL為高電平時SDA為高電平表示非應答
/*
SCL:    ￣￣＼＿＿
SDA:￣￣￣￣￣￣￣
*/
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SDA_1;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_1;
    delay_us(4);
    IIC_SCL_0;
    delay_us(4);
}        

//IIC發送一個字節
/*
SCL:＿  ＿／￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿  ＿／￣￣＼＿＿
SDA:--  ------------  --------------  --------------  --------------  --------------  --------------  --------------  --------------
*/
void IIC_WriteByte(uint8_t txd)
{                        
    uint8_t i;   

    IIC_SCL_0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {   
        (txd & 0x80) ? IIC_SDA_1 : IIC_SDA_0;
        txd <<= 1;

        delay_us(4);
        IIC_SCL_1;
        delay_us(4);
        IIC_SCL_0;
        delay_us(4);
    }
    IIC_SDA_1;
}        

//讀1個字節，ack=1時，發送ACK，ack=0，發送NACK
/*
SCL:￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿  ／￣￣＼＿＿
SDA:==========  ============  ============  ============  ============  ============  ============  ============  
*/
uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack)
{
    uint8_t i, rcv = 0;
    
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        rcv <<= 1;
        IIC_SCL_1;
        delay_us(4); 
        if(IIC_READ_SDA()){
            rcv++;   
        }
        IIC_SCL_0; 
        delay_us(4);
    }
    
    ack ? IIC_Ack() : IIC_NAck();
    
    return rcv;
}