背景介绍

I2C协议介绍

本章节主要参考了这篇博文。

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。
I2C总线物理拓扑结构

I2C总线特征

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)，主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。

I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。

I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。

I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

I2C总线协议

I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。如图所示：
在这里插入图片描述
在了解起始条件和停止条件后，我们再来看看在这个过程中数据的传输是如何进行的。前面我们已经提到过，数据传输以字节为单位。主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位，此时才认为一个字节真正的被传输完成。当然，并不是所有的字节传输都必须有一个应答位，比如：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否定应答位。数据传输的过程如图所示：
在这里插入图片描述在前面我们还提到过，I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址，主从设备之间的数据传输是建立在地址的基础上，也就是说，主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址，地址指定的过程和上面数据传输的过程一样，只不过大多数从设备的地址是7位的，然后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来数据传输的方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据。如图所示：
在这里插入图片描述

I2C总线操作

对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下三种操作情况：
第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：
在这里插入图片描述
第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

第三，主设备往从设备中写数据，然后重启起始条件，紧接着从从设备中读取数据；或者是主设备从从设备中读数据，然后重启起始条件，紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：
在这里插入图片描述
第三种操作在单个主设备系统中，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

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本套库的特点

本套库的设计基于三个工程现实问题：

硬件I2C数量有限而且会影响代码的可移植性能；
I2C通常不会有很高的数据速度和使用频率；
不同的从机器件一般不会挂载在同一个总线上；

第一个问题决定了必要性。设计一套软件模拟I2C库函数可以使得I2C的使用不受数量的限制且可移植行更强。第二个问题决定了可行性。使用I2C总线的低速低频特性决定了使用软件直接操作单片机的GPIO模拟I2C协议不至于占用过多的单片机资源或者无法满足性能的要求。第三个问题决定了通用性。软件模拟的I2C库函数必须有一套机制可以通过分时复用的方式驱动多条总线。笔者编写的库函数较好的符合了上述三个特征，以下给出源码以供大家参考。

源码实现

注意，笔者的源码是基于STM32F103平台运行的，延时函数也是从它处调用。在移植本代码的时候应当注意与平台硬件相关部分(例如void I2C_Virtual_SetSDA_Out())以及延时函数(delay_us())的实现。

头文件

#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"

#ifdef I2C_VIRTUAL

extern uint8_t I2C_Virtual_ack;

void I2C_Virtual_SetPin(char SDA_Port, uint8_t SDA_Pin, char SCL_Port, uint8_t SCL_Pin);
void I2C_Virtual_SetSDA_Out(void);
void I2C_Virtual_SetI2C_In(void);
void I2C_Virtual_Init(void);
void I2C_Virtual_Start(void);
void I2C_Virtual_Stop(void);
uint8_t I2C_Virtual_SendByte(uint8_t c);
uint8_t I2C_Virtual_RcvByte(void);
void I2C_Virtual_Ack(void);
void I2C_Virtual_NoAck(void);

#endif
#endif

源文件

#include "i2c_virtual.h"

#ifdef I2C_VIRTUAL

static uint16_t I2C_Virtual_SDA_Pin;
static GPIO_TypeDef *I2C_Virtual_SDA_Port;
static unsigned long *I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr;
static unsigned long *I2C_Virtual_SDA_IN_Addr;
static unsigned long *I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr;

uint8_t I2C_Virtual_ack;	//应答标志位

/**
 * @brief 使本套库函数可以支持多个独立的软件模拟I2C总线。通过切换I2C总线引脚，以分别控制不同的芯片。
 * @param SDA_Port: 'A'~'D'
 * @param SDA_Pin: 0~15
 * @param SCL_Port: 'A'~'D'
 * @param SCL_Pin: 0~15
 */
void I2C_Virtual_SetPin(char SDA_Port, uint8_t SDA_Pin, char SCL_Port, uint8_t SCL_Pin)
{

	switch (SDA_Port)
	{
	case 'A':
		I2C_Virtual_SDA_Port = GPIOA;
		I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = GPIOA_OUT_ADDR(SDA_Pin);
		I2C_Virtual_SDA_IN_Addr = GPIOA_IN_ADDR(SDA_Pin);
		break;
	case 'B':
		I2C_Virtual_SDA_Port = GPIOB;
		I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = GPIOB_OUT_ADDR(SDA_Pin);
		I2C_Virtual_SDA_IN_Addr = GPIOB_IN_ADDR(SDA_Pin);
		break;
	case 'C':
		I2C_Virtual_SDA_Port = GPIOC;
		I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = GPIOC_OUT_ADDR(SDA_Pin);
		I2C_Virtual_SDA_IN_Addr = GPIOC_IN_ADDR(SDA_Pin);
		break;
	case 'D':
		I2C_Virtual_SDA_Port = GPIOD;
		I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = GPIOD_OUT_ADDR(SDA_Pin);
		I2C_Virtual_SDA_IN_Addr = GPIOD_IN_ADDR(SDA_Pin);
		break;
	case 'E':
		I2C_Virtual_SDA_Port = GPIOE;
		I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = GPIOE_OUT_ADDR(SDA_Pin);
		I2C_Virtual_SDA_IN_Addr = GPIOE_IN_ADDR(SDA_Pin);
		break;
	default:
		break;
	}
	I2C_Virtual_SDA_Pin = (uint16_t) (0x0001 << SDA_Pin);

	switch (SCL_Port)
	{
	case 'A':
		I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = GPIOA_OUT_ADDR(SCL_Pin);
		break;
	case 'B':
		I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = GPIOB_OUT_ADDR(SCL_Pin);
		break;
	case 'C':
		I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = GPIOC_OUT_ADDR(SCL_Pin);
		break;
	case 'D':
		I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = GPIOD_OUT_ADDR(SCL_Pin);
		break;
	case 'E':
		I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = GPIOE_OUT_ADDR(SCL_Pin);
		break;
	default:
		break;
	}
}



/**
 * @brief Switch data bus input/output state.
 */
void I2C_Virtual_SetSDA_Out(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_Virtual_SDA_Pin;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

	GPIO_Init(I2C_Virtual_SDA_Port, &GPIO_InitStructure);
}



/**
 * @brief Switch data bus input/output state.
 */
void I2C_Virtual_SetI2C_In(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_Virtual_SDA_Pin;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

	GPIO_Init(I2C_Virtual_SDA_Port, &GPIO_InitStructure);
}


/**
 * @brief Initialization of the virtual I2C.
 */
void I2C_Virtual_Init(void)
{
	//init of SCL & SDA: output, high
	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;
	I2C_Virtual_SetSDA_Out();
	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;
}



/**
 * @brief Start I2C.
 */
void I2C_Virtual_Start()
{
	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;			//发送起始条件的数据信号
	delay_us(1);

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;
	delay_us(10);										//起始条件建立时间大于4.7us,延时

	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 0;		//发送起始信号
	delay_us(10);										//起始条件锁定时间大于4μ

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;			//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
	delay_us(2);
}



/**
 * @brief Stop I2C.
 */
void I2C_Virtual_Stop()
{
	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;
	delay_us(2);

	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 0;	//发送结束条件的数据信号
	delay_us(1);

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;		//发送结束条件的时钟信号
	delay_us(10);									//结束条件建立时间大于4μ

	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;		//发送I2C总线结束信号
	delay_us(10);
}



/**
 * @brief 主机字节数据发送函数
 * 		将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,
 * 		并对此状态位进行操作.(不应答或非应答都使ack=0 假)
 * 		发送数据正常，ack=1; ack=0表示被控器无应答或损坏。
 * @retval 应答位
 * 		@arg 0:有应答
 * 		@arg 1:无应答
 */
uint8_t I2C_Virtual_SendByte(uint8_t c)
{
	uint8_t BitCnt;

	for (BitCnt = 0; BitCnt < 8; BitCnt++)	//要传送的数据长度为8位
	{
		if ((c << BitCnt) & 0x80)	//判断发送位
			*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;
		else
			*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 0;

		delay_us(1);

		*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;	//置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位
		delay_us(10);	//保证时钟高电平周期大于4μ

		*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;
	}

	delay_us(2);

	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;	//8位发送完后释放数据线，准备接收应答位

	delay_us(1);

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;
	I2C_Virtual_SetI2C_In();

	delay_us(4);		//increase waiting time

	if (*I2C_Virtual_SDA_IN_Addr == 1)	//判断是否接收到应答信号
		I2C_Virtual_ack = 0;
	else
		I2C_Virtual_ack = 1;

	I2C_Virtual_SetSDA_Out();
	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;

	delay_us(2);

	return I2C_Virtual_ack;
}



/**
 * @brief 主机字节数据接收函数
 * 		用来接收从器件传来的数据,并判断总线错误(不发应答信号)，
 * 		发完后请用应答函数。
 */
uint8_t I2C_Virtual_RcvByte()
{
	uint8_t retc;
	uint8_t BitCnt;

	retc = 0;

	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;	//置数据线为输入方式

	for (BitCnt = 0; BitCnt < 8; BitCnt++)
	{
		delay_us(1);
		*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;	//置时钟线为低，准备接收数据位
		delay_us(10);	//时钟低电平周期大于4.7us
		*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;	//置时钟线为高使数据线上数据有效
		//delay1us();
		retc = retc << 1;
		I2C_Virtual_SetI2C_In();

		if (*I2C_Virtual_SDA_IN_Addr == 1)
			retc = retc + 1;	//读数据位,接收的数据位放入retc中

		I2C_Virtual_SetSDA_Out();
		delay_us(1);
	}

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;
	delay_us(2);

	return (retc);
}



/**
 * @brief 主机应答函数
 */
void I2C_Virtual_Ack(void)
{
	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 0;
	delay_us(2);

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;
	delay_us(10);	//时钟低电平周期大于4μ

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;  	//清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收
	delay_us(2);
}



/**
 * @brief 主机不应答函数
 */
void I2C_Virtual_NoAck(void)
{
	*I2C_Virtual_SDA_OUT_Addr = 1;
	delay_us(1);

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 1;
	delay_us(10);	//时钟低电平周期大于4μ

	*I2C_Virtual_SCL_OUT_Addr = 0;	    //清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收
	delay_us(2);
}
#endif

应用指南

软件模拟I2C属于底层驱动类型的库，一般情况下不会直接使用，而是为各种芯片的库函数提供底层接口。本章节从框架结构上对软件模拟I2C库驱动多个不同总线上的芯片做一个简要说明。

首先应完成GPIO的初始化配置，SDA功能的GPIO配置为开漏输出（总线要上拉）、SCL功能的GPIO配置为推挽或者开漏输出。此处以STM32F103单片机为例：

/**
* ADS1115 - SDA: PB0, SCL: PB1
*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

/**
* ADS1115 - SDA: PB2, SCL: PB3
*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

设置Device1的I2C总线。

I2C_Virtual_SetPin(ADS1115_SDA_PORT, ADS1115_SDA_PIN, ADS1115_SCL_PORT, ADS1115_SCL_PIN);

执行Device1的相关操作。在Device1的库函数的I2C通讯部分，应该调用本库的各种I2C通讯接口，例如void I2C_Virtual_Start(),void I2C_Virtual_Stop(),uint8_t I2C_Virtual_SendByte(uint8_t c)。

ADS1115_Config();
ADS1115_ReadData();

切换Device2的I2C总线

I2C_Virtual_SetPin(sts31Dev.SdaPort, sts31Dev.SdaPin, sts31Dev.SclPort, sts31Dev.SclPin);

执行Device2的相关操作

STS31_Config();
STS31_ReadData();

STM32开发项目：软件模拟I2C功能

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