GPIO模擬I2C總線的驅動設計與實現(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設備的驅動。

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

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)摹Ｒ粋€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)送一個非確認應答，但不會有停止條件。具體格式如下圖：

2 、驅動設計與實現(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);        //設置SCL引腳
  void (*SetSDAPin)(SimuI2CPinValue op);        //設置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);
   }
 }
 //結束通訊
 SimuI2CStop(simuI2CInstance);
 return I2C_OK;
}

3 、驅動的使用前面

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

3.1 、聲明并初始化對象

在應用一個對象前，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系。具體函數(shù)定義如下：

//設置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動開發(fā)我們的應用實例。

這里我們考慮使用驅動讀寫一個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);
}