I2C学习笔记-软件模拟I2C

I2C学习笔记（软件模拟） 介绍GPIO的配置信号的展示起始信号 与 停止信号应答信号（非应答信号）检测应答信号发送一个字节数据接收一个字节数据 硬件配置实物测试

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： .youtube /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

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

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/*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( ); }

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。

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( ); }

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( ); }

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：

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; }

硬件配置

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。

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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。

开始抓包 读取AT24C02地址为0xA0的寄存器0的数据

写入数据