I2C软件模拟EEPROM通讯实验

I2C是一种串行通讯总线，由于只有串行数据线SDA和串行时钟线SCL两个总线而被广泛使用。

I2C软件模拟通信的本质是用芯片上任意两个引脚模拟I2C通信，也就是说通过控制任意两个引脚电平的高低变化来模拟I2C时序。写代码之前，需要非常熟悉I2C时序图。

准备基础知识：

如下I2C时序图，I2C总线在空闲状态下SCL和SDA都保持高电平。

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA 由高向低时，开始传送数据。

结束信号：SCL为高电平时，SDA 由低向高时，结束传送数据。

应答信号：在一个字节传输的8个时钟后的第9个时钟期间，接收器必须回送一个应答位(ACK)给发送器。

本项目所用芯片STM32F103RCT6，最小系统自带I2C存储器AT24C02，原理图如下：

由于I2C可以接多个主设备，多个从设备（外围设备），因此进行通讯是需要进行器件寻址，以此分辨是于哪个设备进行通讯，每个设备地址唯一。

EEPROM器件寻址：起始条件使能芯片读写操作后，EEPROM都要求有8位的器件地址信息。该器件地址信息的LSB为读/写操作选择位，高为读操作，低为写操作。若比较器件地址一致，EEPRON输出应答立答“0”。如果不一致，则返向待机状态。

AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010。设备地址需要看芯片引脚的具体连接情况，本项目中1，2，3引脚均接地，则A2，A1，A0三位均为0，因此写地址为10100000，即0xA0；读地址为10100001，即0xA1。

要点：

模拟I2C是GPIO应设置为通用开漏输出或通用推挽输出，电平每跳变一次，需要加延时函数。

设备地址需要看芯片引脚的具体连接情况，数据地址的长度根据芯片不同而不同。

SCL时钟电平为低时，才可以改换SDA数据线的电平，SCL为高时SDA必须保持稳定。SDA数据在SCL时钟为低电平时准备好，在SCL上升沿的过程发送出去。

在写完8位数据之后，将要读取应答信号，这里也就是要SDA将从输出状态变为输入状态。

接收器拉低SDA线表示应答，并在应答脉冲期间保持稳定的低电平。当主器件作接收器时，必须发出数据传输结束的信号给发送器，即它在最后一个字节之后的应答脉冲期间不会产生应答信号（不拉低SDA）。这种情况下，发送器必须释放SDA线为高以便主器件产生停止条件。

在写读写程序的时候根据SDA时序及要求进行。也就是说必须看明白下面两个图。

主器件在EEPROM收到每个数据后都应答“0”。最后由主器件发送停止条件，终止写序列。

EEPROM接收器件地址和数据字地址并产生应答ACK，主器件就产生一个重复的起始条件。主器件发送器件地址（读/写选择位为“1”，读操作），EEPROM应答ACK，并随时钟发送数据，主器件不发送“0”时，产生停止条件。

时序混乱会导致程序无法运行，多写或者少写数据，因此每一步的高低电平时序都要谨慎思考。

模拟I2C传送的数据很慢，比硬件I2C要慢很多，而且占用CPU资源，而硬件IIC速度效率高，但用法复杂，不够稳定，容易产生卡死，各有利弊，但工程中常用硬件I2C。

I2C软件模拟EEPROM步骤：

1、配置所需要的宏

2、配置时钟

3、相关GPIO初始化

4、SDA输入输出方向配置

5、I2C起始信号及I2C结束信号

6、应答信号及非应答信号的产生

7、设置等待应答信号

8、主机发送数据

9、主机接收数据

10、EEPROM写入一个数据

11、EEPROM读出一个数据

12、EEPROM写入定长数据

13、EEPROM读出定长数据

14、EEPROM写入数组数据

15、EEPROM读出数组数据

16、EEPROM检查是否正常

代码如下：项目I2C模拟引脚用PB6，PB7。

//main.h  宏定义#ifndef _I2C_H_
#define _I2C_H_
#include "stm32f10x.h"#define I2C_SCL    GPIO_Pin_6
#define I2C_SDA    GPIO_Pin_7
#define GPIO_I2C   GPIOB
#define I2C_SCL_H  GPIO_SetBits(GPIO_I2C, I2C_SCL)
#define I2C_SCL_L  GPIO_ResetBits(GPIO_I2C, I2C_SCL)
#define I2C_SDA_H  GPIO_SetBits(GPIO_I2C, I2C_SDA)
#define I2C_SDA_L  GPIO_ResetBits(GPIO_I2C, I2C_SDA)  #define AT24C02       255
#define EE_TYPE   AT24C02void RCC_Init(void);
void I2C_GPIO_Config(void);
void I2C_OUT(void);
void I2C_IN(void);
void I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
void Send_Byte(uint8_t data);
uint8_t Read_Byte(uint8_t ack);
uint8_t I2C_Wait_ACK(void);
void I2C_ACK(void);
void I2C_NACK(void);uint8_t AT24C02_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr);
void AT24C02_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite);
void AT24C02_WriteLenByte(uint16_t WriteAddr,uint32_t DataToWrite,uint8_t Len);
uint32_t AT24C02_ReadLenByte(uint16_t ReadAddr,uint8_t Len);
void AT24C02_Write(uint16_t WriteAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToWrite);
void AT24C02_Read(uint16_t ReadAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToRead);
uint8_t AT24C02_Check(void);#endif

//main.c#include "sys.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "main.h"
#include "tools.h"//时钟配置
void RCC_Init()
{    ErrorStatus HSEStartUpStatus;                    RCC_DeInit();                                    RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);                       HSEStartUpStatus=RCC_WaitForHSEStartUp();       if(HSEStartUpStatus==SUCCESS)                   {FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);           FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);                            RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);                                RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);                                 RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);                                RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1,RCC_PLLMul_9);            }   else{/*do nothing*/}RCC_PLLCmd(ENABLE); while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY)==RESET)                  {}RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);                          while (RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08)          {}
}//GPIO初始化
void I2C_GPIO_Config()
{       GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);               GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=I2C_SCL|I2C_SDA;                                 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;                         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;                     GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStruct);                                  I2C_SCL_H;I2C_SDA_H;  }//SDA输出
void I2C_OUT()
{      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=I2C_SDA;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;  GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);I2C_SCL_H;I2C_SDA_H;
}//SDA输入
void I2C_IN()
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=I2C_SDA;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;  GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
}//起始信号
void I2C_Start(void)
{I2C_OUT();       I2C_SDA_H;I2C_SCL_H;DelayUS(4);   I2C_SDA_L; DelayUS(4);I2C_SCL_L;      }//停止信号
void I2C_Stop(void)
{I2C_OUT(); I2C_SCL_L;I2C_SDA_L;                 DelayUS(4); I2C_SCL_H; I2C_SDA_H;DelayUS(4); }//产生应答信号
void I2C_ACK(void)
{I2C_SCL_L;I2C_OUT(); I2C_SDA_L;DelayUS(2); I2C_SCL_H;DelayUS(2); I2C_SCL_L;}//产生非应答信号
void I2C_NACK(void)
{I2C_SCL_L;   I2C_OUT();I2C_SDA_H;DelayUS(2); I2C_SCL_H;DelayUS(2); I2C_SCL_L;}//等待应答信号
uint8_t I2C_Wait_ACK()  {int time=0;  I2C_IN();    I2C_SDA_H;DelayUS(4); I2C_SCL_H;DelayUS(4); while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_I2C,I2C_SDA))  {time++;if(time>250)  {I2C_Stop();return 1;}}I2C_SCL_L;I2C_OUT();return 0;
}//发送数据
void Send_Byte(uint8_t data)
{uint8_t i;I2C_OUT();I2C_SCL_L;DelayUS(2); for(i=0;i<8;i++)  {if((data&0x80)>>7){I2C_SDA_H;}else{I2C_SDA_L;data <<= 1; DelayUS(2);I2C_SCL_H;DelayUS(2);}                 I2C_SCL_L;DelayUS(2); }}//接收数据
uint8_t Read_Byte(uint8_t ack)
{uint8_t cnt;uint8_t rev_Data;  I2C_IN();I2C_SCL_L;DelayUS(2); I2C_SDA_H;for(cnt=0;cnt<8;cnt++){I2C_SCL_H; DelayUS(2); rev_Data<<=1;if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_I2C,I2C_SDA)) {rev_Data++;I2C_SCL_L;DelayUS(2); }}if(ack==0)  {I2C_NACK();}else                 {I2C_ACK();  }return rev_Data;}//读单个字节
uint8_t AT24C02_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr)
{                 uint8_t temp=0;                                                                               I2C_Start();  if(EE_TYPE>2047)            {Send_Byte(0XA0);             I2C_Wait_ACK();Send_Byte(ReadAddr>>8);       //I2C_Wait_ACK();         }else{ Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1)); }               I2C_Wait_ACK();Send_Byte(ReadAddr%256); I2C_Wait_ACK();    I2C_Start();            Send_Byte(0XA1);      I2C_Wait_ACK(); temp=Read_Byte(0);     I2C_Stop();    return temp;
}//写单个字节
void AT24C02_WriteOneByte(uint16_t WriteAddr,uint8_t DataToWrite)
{                                                                                            I2C_Start();  if(EE_TYPE>2047){Send_Byte(0XA0);    I2C_Wait_ACK(); Send_Byte(WriteAddr>>8);  }else{Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1));   }    I2C_Wait_ACK();    Send_Byte(WriteAddr%256);   I2C_Wait_ACK();                                                        Send_Byte(DataToWrite);                     I2C_Wait_ACK();                     I2C_Stop();   DelayMS(10);
}//写入定长数据
void AT24C02_WriteLenByte(uint16_t WriteAddr,uint32_t DataToWrite,uint8_t Len)
{   uint8_t t;for(t=0;t<Len;t++){AT24C02_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);}
}//读取定长数据
uint32_t AT24C02_ReadLenByte(uint16_t ReadAddr,uint8_t Len)
{   uint8_t t;uint32_t temp=0;for(t=0;t<Len;t++){temp<<=8;temp+=AT24C02_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1);                        }return temp;
}//读数组数据
void AT24C02_Read(uint16_t ReadAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToRead)
{while(NumToRead){*pBuffer++=AT24C02_ReadOneByte(ReadAddr++);  NumToRead--;}
}//写入数组数据
void AT24C02_Write(uint16_t WriteAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToWrite)
{while(NumToWrite--){AT24C02_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);WriteAddr++;pBuffer++;}
}//检查AT24C02是否正常uint8_t AT24C02_Check(void)
{uint8_t temp;temp=AT24C02_ReadOneByte(255);  if(temp==0X55){return 0;       }       else{AT24C02_WriteOneByte(255,0X55);temp=AT24C02_ReadOneByte(255);   if(temp==0X55){return 0;}}return 1;
}uint8_t  readDate[10]={0};
uint8_t  writeDate[8]={1,2,3,4,5,6,7,8};int main()
{uint8_t i=0;RCC_Init();I2C_GPIO_Config();AT24C02_Check();AT24C02_Write(0,writeDate,10);for(i=0;i<10;i++){readDate[i]=writeDate[i];}AT24C02_Read(0,readDate,10);DelayMS(500);while(1){}
}

实验结果：

通过程序模拟输出数组的数据，输出正确。

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