GPIO模擬I2C總線的驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

I2C總線簡單方便，是我們經(jīng)常使用的一種總線。但有時候我們的MCU沒有足夠多的I2C控制器來實現(xiàn)我們的應(yīng)用，所幸我可以使用普通的GPIO引腳來模擬低速的I2C總線通信。這一節(jié)我們就來實現(xiàn)使用軟件通過普通GPIO操作I2C設(shè)備的驅(qū)動。

1 、功能概述

I2C總線使用兩條線：串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時鐘（SCL）。所有I2C主設(shè)備和從設(shè)備僅與這兩條線連接。每個設(shè)備可以是發(fā)射器，接收器或兩者。有些設(shè)備是主設(shè)備，它們生成總線時鐘并在總線上啟動通信，其他設(shè)備是從設(shè)備并響應(yīng)總線上的命令。為了與特定設(shè)備通信，每個從設(shè)備必須具有總線上唯一的地址。I2C主設(shè)備（通常是微控制器）不需要地址，因為沒有其他設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送命令?？偩€設(shè)備連接示意圖如下：

1.1 、 I2C****的傳輸過程

I2C總線有標準、快速和高速多種速度模式；也有7位地址和10位地址多種地址格式，但不管什么樣的模式其數(shù)據(jù)傳輸格式都可以劃分為3個階段：起始階段、數(shù)據(jù)傳輸階段和終止階段。如下圖：

1.1.1 、起始階段

在I2C總線不工作的情況下，SDA(數(shù)據(jù)線)和SCL(時鐘線)上的信號均為高電平。如果此時主機需要發(fā)起新的通信請求，那么需要首先通過SDA和SCL發(fā)出起始標志。當SCL為高電平時，SDA電平從高變低，這一變化表示完成了通信的起始條件。

在起始條件和數(shù)據(jù)通信之間，通常會有延時要求，具體的指標會在設(shè)備廠商的規(guī)格說明書中給出。

1.1.2 、數(shù)據(jù)傳輸階段

I2C總線的數(shù)據(jù)通信是以字節(jié)(8位)作為基本單位在SDA上進行串行傳輸?shù)?。一個字節(jié)的傳輸需要9個時鐘周期。其中，字節(jié)中每一位的傳輸都需要一個時鐘周期，當新的SCL到來時，SCL為低電平，此時數(shù)據(jù)發(fā)送方根據(jù)當前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位控制SDA的電平信號。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為"1"，就將SDA電平拉高；如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為"0"，就將SDA的電平拉低。當SDA上的數(shù)據(jù)準備好之后，SCL由低變高，此時數(shù)據(jù)接收方將會在下一次SCL信號變低之前完成數(shù)據(jù)的接收。當8位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)接收方需要一個時鐘周期以使用SDA發(fā)送ACK信號，表明數(shù)據(jù)是否接收成功。當ACK信號為"0"時，說明接收成功；為"1"時，說明接收失敗。每個字節(jié)的傳輸都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次進行傳輸。

I2C總線協(xié)議中規(guī)定，數(shù)據(jù)通信的第一個字節(jié)必須由主機發(fā)出，內(nèi)容為此次通信的目標設(shè)備地址和數(shù)據(jù)通信的方向(讀/寫)。在這個字節(jié)中，第1～7位為目標設(shè)備地址，第0位為通信方向，當?shù)?位為"1"時表示讀，即后續(xù)的數(shù)據(jù)由目標設(shè)備發(fā)出主機進行接收；當?shù)?位為"0"時表示寫，即后續(xù)的數(shù)據(jù)由主機發(fā)出目標設(shè)備進行接收。在數(shù)據(jù)通信過程中，總是由數(shù)據(jù)接收方發(fā)出ACK信號。

1.1.3 、終止階段

當主機完成數(shù)據(jù)通信，并終止本次傳輸時會發(fā)出終止信號。當SCL 是高電平時，SDA電平由低變高，這個變化意味著傳輸終止。

1.2 、 I2C****的傳輸格式

根據(jù)I2C總線的技術(shù)標準，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸方式有3種：主站向從站寫數(shù)據(jù)方式；主站從從站讀數(shù)據(jù)方式；讀寫組合的方式。下面將就這幾種方式簡單說明。

1.2.1 、寫數(shù)據(jù)格式

主站向從站寫數(shù)據(jù)方式是主棧發(fā)送數(shù)據(jù)給從站。傳輸方向沒有改變，從站接收主站發(fā)過來的每一個字節(jié)。具體格式如下圖：

1.2.2 、讀數(shù)據(jù)格式

主站從從站讀數(shù)據(jù)方式，主站在發(fā)送第一個字節(jié)之后，立即接收從站數(shù)據(jù)。也就是說在第一次確認的時刻，主發(fā)送器變成了主接收器，從屬接收器變成了從屬發(fā)送器。第一個確認仍然由從站生成。主站則生成后續(xù)的確認。停止條件由主主站生成，它在停止條件之前發(fā)送一個非確認應(yīng)答。具體格式如下圖：

1.2.3 、讀寫組合格式

組合格式就是讀和寫是接連完成的。在傳輸中改變方向時，啟動條件和從地址都要重復，但R/W位要倒過來。如果主接收器發(fā)送一個重復啟動條件，它在重復啟動條件之前發(fā)送一個非確認應(yīng)答，但不會有停止條件。具體格式如下圖：

2 、驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

我們已經(jīng)了解了I2C協(xié)議的基本內(nèi)容，接下來我們需要考慮如何實現(xiàn)這一協(xié)議。實現(xiàn)了這一協(xié)議也就完成通過GPIO模擬I2C的驅(qū)動。

2.1 、對象定義

我們們依然采用基于對象的操作來實現(xiàn)。所以在使用對象之前，我們需要得到對象。接下來我們就考慮GPIO模擬I2C的對象問題。

2.1.1 、對象的抽象

一般的，作為一個對象肯定包括屬性和操作。所以我們考慮GPIO模擬I2C的對象也要從這兩方面來進行。

首先來考慮GPIO模擬I2C對象的屬性。作為屬性應(yīng)該是必要的且能標識對象特點的參數(shù)。我們模擬的I2C其實是主站，作為主站沒有地址，所以地址不需要作為屬性。但通訊速度卻是主站需要控制的，所以我們將速度設(shè)置為GPIO模擬I2C的一個屬性。除此之外，作為主站沒有必須要記錄的參數(shù)了。

還需要考慮GPIO模擬I2C對象的操作。既然是使用GPIO模擬I2C，那么I2C的兩根總線SCL和SDA都需要主站操作GPIO來實現(xiàn)，所以控制SCL和控制SDA的行為都是對象的操作。除了控制總線我們還需要從總線讀取數(shù)據(jù)，所以從SDA讀取數(shù)據(jù)也是對象的一個操作。還有如延時等操作與具體的平臺關(guān)系很大，我們也將其作為操作以便在具體的平臺初始化。

根據(jù)上述的分析，我們可以抽象得到GPIO模擬I2C的對象類型如下：

typedef structSimuI2CObject{
  uint32_t period;                              //確定速度為大于0K小于等于400K的整數(shù)，默認為100K
  void (*SetSCLPin)(SimuI2CPinValue op);        //設(shè)置SCL引腳
  void (*SetSDAPin)(SimuI2CPinValue op);        //設(shè)置SDA引腳
  uint8_t (*ReadSDAPin)(void);                  //讀取SDA引腳位
  void (*Delayus)(volatile uint32_tperiod);    //速度延時函數(shù)
}SimuI2CObjectType;

2.1.2 、對象的初始化

我們已經(jīng)得到了GPIO模擬I2C的對象，但對象必須要初始化之后才可以操作，所以這里就需要考慮如何對對象進行初始化。一般來說，初始化函數(shù)需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入?yún)?shù)是否合理；二是為對象的屬性賦初值；三是對對象作必要的初始化配置。據(jù)此我們設(shè)計GPIO模擬I2C對象的初始化函數(shù)如下：

/* GPIO模擬I2C通訊初始化 */
voidSimuI2CInitialization(SimuI2CObjectType *simuI2CInstance，
                          uint32_t speed，
                          SimuI2CSetPin setSCL，
                          SimuI2CSetPin setSDA，
                          SimuI2CReadSDAPin readSDA，
                          SimuI2CDelayus delayus)
{
  if((simuI2CInstance==NULL)||(setSCL==NULL)||(setSDA==NULL)||(readSDA==NULL)||(delayus==NULL))
  {
     return;
  }
      
  simuI2CInstance->SetSCLPin=setSCL;
  simuI2CInstance->SetSDAPin=setSDA;
  simuI2CInstance->ReadSDAPin=readSDA;
  simuI2CInstance->Delayus=delayus;
      
  /*初始化速度，默認100K*/
  if((speed>0)&&(speed<=400))
  {
    simuI2CInstance->period=500/speed;
  }
  else
  {
    simuI2CInstance->period=5;
  }
 
  /*拉高總線，使處于空閑狀態(tài)*/
  simuI2CInstance->SetSDAPin(Set);
  simuI2CInstance->SetSCLPin(Set);
}

2.2 、對象操作

我們已經(jīng)定義了對象類型，也實現(xiàn)了對象的初始化函數(shù)，接下來我們就需要考慮封裝對象的操作了。根據(jù)前面我們對I2C協(xié)議的了解，需要實現(xiàn)的操作主要有：向從站寫數(shù)據(jù)、從從站讀數(shù)據(jù)、先向從站寫而后接著讀數(shù)據(jù)以及基于這三種模式的組合操作。

2.2.1 、向從站寫數(shù)據(jù)操作

向從站寫數(shù)據(jù)包括向從站寫命令、地址以及設(shè)定數(shù)據(jù)等。如向一個或多個存儲地址寫數(shù)據(jù)，需要先寫存儲起始地址再寫需要保存的數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)都是從主站發(fā)往從站，包括啟動通訊、下發(fā)數(shù)據(jù)、停止通訊這一過程。具體的實現(xiàn)如下：

/* 通過模擬I2C向從站寫數(shù)據(jù) */
SimuI2CStatusWriteDataBySimuI2C(SimuI2CObjectType *simuI2CInstance，uint8_t deviceAddress，uint8_t *wData，uint16_t wSize)
{
 //啟動通訊
 SimuI2CStart(simuI2CInstance);
 //發(fā)送從站地址（寫）
 SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，deviceAddress);
 if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
 {
   return I2C_ERROR;
 }
 
 while(wSize--)
 {
   SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，*wData);
   if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
   {
     return I2C_ERROR;
   }
   wData++;
   simuI2CInstance->Delayus(10);
 }

 SimuI2CStop(simuI2CInstance);
 return I2C_OK;
}

2.2.2 、自從站讀數(shù)據(jù)操作

讀從站數(shù)據(jù)操作其實就是先向從站發(fā)送站地址（讀），然后接收數(shù)據(jù)。一般存儲器不會使用到這種模式，而對于向一些設(shè)備獲取數(shù)據(jù)會有這種模式，如MS5803壓力觸感器。其過程是先啟動通訊，再從主站發(fā)送包含讀的從站地址，然后主站接收自從站返回的數(shù)據(jù)，然后停止通訊。具體的實現(xiàn)過程如下：

/* 通過模擬I2C自從站讀數(shù)據(jù) */
SimuI2CStatus ReadDataBySimuI2C(SimuI2CObjectType*simuI2CInstance，uint8_t deviceAddress，uint8_t *rData， uint16_t rSize)
{
 //啟動通訊
 SimuI2CStart(simuI2CInstance);
 
 //發(fā)送從站地址（讀）
 SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，deviceAddress+1);
 if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
 {
   return I2C_ERROR;
 }
 
 simuI2CInstance->Delayus(1000);
 
 while(rSize--)
 {
   *rData=RecieveByteBySimuI2C(simuI2CInstance);
   rData++;
   if(rData==0)
   {
     IIC_NAck(simuI2CInstance);
   }
   else
   {
     IIC_Ack(simuI2CInstance);
     simuI2CInstance->Delayus(1000);
   }
 }
 
 //結(jié)束通訊
 SimuI2CStop(simuI2CInstance);
 return I2C_OK;
}

2.2.3 、先寫后讀組合操作

對于組合操作則是寫數(shù)據(jù)并讀數(shù)據(jù)連續(xù)進行。這就像從某一存儲地址讀數(shù)據(jù)一樣，先發(fā)送要讀的其實地址，然后接收讀出來的數(shù)據(jù)。其一般過程是：先啟動通訊，然后寫數(shù)據(jù)，接著重啟通訊，然后讀數(shù)據(jù)，最后停止通訊。具體的實現(xiàn)過程如下：

/* 通過模擬I2C實現(xiàn)對從站先寫數(shù)據(jù)緊接讀數(shù)據(jù)組合操作 */
SimuI2CStatusWriteReadDataBySimuI2C(SimuI2CObjectType *simuI2CInstance，uint8_t deviceAddress， uint8_t *wData，uint16_t wSize，uint8_t *rData， uint16_t rSize)
{
 //啟動通訊
 SimuI2CStart(simuI2CInstance);
 //發(fā)送從站地址（寫）
 SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，deviceAddress);
 if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
 {
   return I2C_ERROR;
 }
 
 while(wSize--)
 {
   SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，*wData);
   if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
   {
     return I2C_ERROR;
   }
   wData++;
   simuI2CInstance->Delayus(10);
 }
      
 //再啟動
 SimuI2CStart(simuI2CInstance);
 //發(fā)送從站地址（讀）
 SendByteBySimuI2C(simuI2CInstance，deviceAddress+1);
 if(SimuI2CWaitAck(simuI2CInstance，5000))
 {
   return I2C_ERROR;
 }
 
 while(rSize--)
 {
   *rData=RecieveByteBySimuI2C(simuI2CInstance);
   rData++;
   if(rSize==0)
   {
     IIC_NAck(simuI2CInstance);
   }
   else
   {
     IIC_Ack(simuI2CInstance);
   }
 }
 //結(jié)束通訊
 SimuI2CStop(simuI2CInstance);
 return I2C_OK;
}

3 、驅(qū)動的使用前面

前面已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了GPIO模擬I2C通訊的驅(qū)動，下面我們還需要使用此驅(qū)動設(shè)計一個簡單的應(yīng)用以驗證驅(qū)動設(shè)計的是否合理。

3.1 、聲明并初始化對象

在應(yīng)用一個對象前，我們需要先得到這個對象。前面我們已經(jīng)抽象了GPIO模擬I2C通訊的對象類型，這里我們將使用此對象類型聲明一個對象變量。具體形式如下：

SimuI2CObjectTypesimuI2C;

聲明了這個對象變量并不能立即使用，我們還需要使用驅(qū)動中定義的初始化函數(shù)對這個變量進行初始化。這個初始化函數(shù)所需要的輸入?yún)?shù)如下：

SimuI2CObjectType*simuI2CInstance，

uint32_t speed，

SimuI2CSetPinsetSCL，

SimuI2CSetPin setSDA，

SimuI2CReadSDAPinreadSDA，

SimuI2CDelayusdelayus，

對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。而通訊速度根據(jù)實際情況選擇就好了，最大不超過500K，默認是100K。主要的是我們需要定義幾個函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(shù)的類型如下：

typedef void(*SimuI2CSetPin)(SimuI2CPinValue op); //設(shè)置SDA引腳

typedef uint8_t (*SimuI2CReadSDAPin)(void); //讀取SDA引腳位

typedef void(*SimuI2CDelayus)(volatile uint32_t period); //速度延時函數(shù)

對于這幾個函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關(guān)系。具體函數(shù)定義如下：

//設(shè)置SCL引腳
static voidSetSCLPin(SimuI2CPinValue op)
{
  if(op==Set)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_8，GPIO_PIN_SET);
  }
  else
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_8，GPIO_PIN_RESET);
  }
}
 
//設(shè)置SDA引腳
static voidSetSDAPin(SimuI2CPinValue op)
{
  if(op==Set)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_7，GPIO_PIN_SET);
  }
  else
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_7，GPIO_PIN_RESET);
  }
}
 
//讀取SDA引腳位
static uint8_tReadSDAPin(void)
{
  return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB，GPIO_PIN_7);
}

對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數(shù)。于是我們可以調(diào)用初始化函數(shù)如下：

SimuI2CInitialization(&simuI2C，100，SetSCLPin，SetSDAPin，ReadSDAPin，HAL_Delay);

這里我們將其設(shè)為100的I2C通訊接口。

3.2 、基于對象進行操作

我們定義了對象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。我們在驅(qū)動中已經(jīng)封裝了讀從站、寫從站以及讀寫混合操作，接下來我們使用這一驅(qū)動開發(fā)我們的應(yīng)用實例。

這里我們考慮使用驅(qū)動讀寫一個I2C接口的存儲器，我們向某一個地址寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)，我們假定存儲器較小地址是8位的。

//從Memery中讀取數(shù)據(jù)
void ReadDataFromMem(uint8_tdeviceAddress， uint8_t memAdd，uint8_t *rData， uint16_t rSize)
{    
       WriteReadDataBySimuI2C(&simuI2C，deviceAddress，&memAdd，1，rData，rSize);
}
 
//向Memery中寫數(shù)據(jù)
void WriteDataToMem(uint8_tdeviceAddress，uint8_t memAdd，uint8_t *wData，uint16_t wSize)
{
       uint8_t data[10];
       uint16_t size=0;
      
       data[size++]=memAdd;
      
       for(inti=0;iWriteDataBySimuI2C(&simuI2C，deviceAddress，wData，size);
}

在這一例中，我們實現(xiàn)了對8位地址的存儲器的數(shù)據(jù)寫入和讀出操作，根據(jù)封裝的驅(qū)動函數(shù)很容易實現(xiàn)。

4 、應(yīng)用總結(jié)

我們使用GPIO模擬的I2C協(xié)議在STM32平臺上與多個設(shè)備進行通訊，如SHT20溫濕度傳感器、TSEV01CL55紅外溫度傳感器、MLX90614紅外溫度傳感器等，等到的結(jié)果非常好，即使在長達1米的通訊線路上都沒有問題。

使用本驅(qū)動是需要注意一點，因為在I2C總線中SDA是雙向的，所以在模擬式需要將模擬SDA的引腳配置為開漏模式，否則就需要控制其方向。

說到I2C總線有幾個相關(guān)的總線不能不提，系統(tǒng)管理總線SMBus、電源系統(tǒng)管理總線PMBus以及TWI Bus。這些總線與I2C總線有很多的共同點，在通訊速率一致的情況下是可以通用的。

完整的源代碼可在GitHub下載 ：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver