模拟I2C怎么用--教你使用GPIO口模拟I2C总线协议

所谓模拟I2C是指使用普通GPIO口的输入输出功能来模拟I2C总线的时序，用来通过I2C总线进行通信。

I2C的基本知识：

1、I2C总线有两条线：SCL是时钟线，SDA是数据线；

2、I2C总线通信方式是主从模式，即由主设备发起通信，从设备响应通信；

3、I2C从设备具有I2C地址，从设备只有收到自己的地址信息后才会被唤醒；

4、具有不同地址的从设备可以挂载到同一个I2C总线上；

5、从设备地址的最后一个Bit表示读写，0表示写操作，1表示读操作；

6、I2C总线地址有7Bit表示方法和8Bit表示方法，7Bit表示方法是地址中不包含表示读写的最后一个Bit；

7、当SCL=1时，SDA产生下降沿来启动I2C；

8、当SCL=1时，SDA产生上升沿来停止I2C；

9、I2C启动后，当SCL=1时，SDA的电平不允许有变化；

10、I2C启动后，只有当SCL=0时，数据发送方才能在SDA上改变发送电平；

11、I2C总线上数据接收方在接收完一个字节数据（8Bit）后，要在下一个SCL的上升沿，通过SDA响应ACK(SDA=0)或NACK(SDA=1)信号；

12、I2C外部需根据传输速率匹配上拉电阻，速率越高，上拉电阻越小，否则会影响时序；

13、I2C引脚作为输出时需是开漏输出，作为输入时需是浮空输入，不能匹配内部上拉或下拉电阻；

话不多说，直接上代码：

一、基本接口定义

为了提高代码的可移植性和使用方便性，我定义了一些宏和结构体，下面介绍一下这些宏和结构体。

1、结构体

I2C总线有SDA和SCL两个引脚，所以我构造了一个结构体来定义表示这两个引脚的基本信息，我是在STM32平台做的例程，所以是这样定义的：

typedef struct {uint32_t SDA_RCC_APB2Periph;// SDA脚时钟GPIO_TypeDef* SDA_Port;//SDA脚Portuint16_t SDA_Pin;//SDA脚Pinuint32_t SCL_RCC_APB2Periph;//SCL脚时钟GPIO_TypeDef* SCL_Port;//SCL脚Portuint16_t SCL_Pin;//SCL脚Pin
} sw_i2c_gpio_t;

当然如果你使用的是其他平台，可以对结构体进行重新构造。结构体的成员要能拿来直接控制两个引脚的输入和输出即可。

2、宏定义

#define I2C_USE_7BIT_ADDR //如果使用的从机地址是7Bit模式，则打开这个宏，否则注释掉这个宏
#define I2C_DELAY                50 // I2C每个Bit之间的延时时间，延时越小I2C的速率越高

下面这些宏要根据具体的平台进行调整。

#define SW_I2C_SCL_LOW          GPIO_ResetBits(gpio->SCL_Port,gpio->SCL_Pin) // I2C SCL脚输出0
#define SW_I2C_SCL_HIGH         GPIO_SetBits(gpio->SCL_Port,gpio->SCL_Pin) // I2C SCL脚输出1
#define SW_I2C_SDA_LOW          GPIO_ResetBits(gpio->SDA_Port,gpio->SDA_Pin) // I2C SDA脚输出0
#define SW_I2C_SDA_HIGH         GPIO_SetBits(gpio->SDA_Port,gpio->SDA_Pin) // I2C SDA脚输出1
#define SW_I2C_SDA_INPUT        sw_i2c_set_sda_input(gpio) // 将SDA脚方向设置为输入
#define SW_I2C_SDA_OUTPUT        sw_i2c_set_sda_output(gpio) // 将SDA脚方向设置为输出
#define SW_I2C_SDA_STATUS        sw_i2c_sda_status(gpio) // 获取SDA脚输入电平状态  #define i2c_delay_us(a)            SystemDelayUs(a) // 获取SDA脚输入电平状态

一、I2C基本操作实现

1、SDA脚输入输出切换及输入状态读取

/**************************************************************************
***                          读取SDA脚的状态                             ***
***************************************************************************/
static uint8_t sw_i2c_sda_status(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{uint8_t sda_status;sda_status = GPIO_ReadInputDataBit(gpio->SDA_Port,gpio->SDA_Pin);    return sda_status?1:0;
}
/**************************************************************************
***                          设置SDA脚为输入                             ***
***************************************************************************/
static void sw_i2c_set_sda_input(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = gpio->SDA_Pin;    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init (gpio->SDA_Port, & GPIO_InitStructure );
}
/**************************************************************************
***                          设置SDA脚为输出                             ***
***************************************************************************/
static void sw_i2c_set_sda_output(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = gpio->SDA_Pin;    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;   //开漏输出模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init (gpio->SDA_Port, & GPIO_InitStructure );
}

2、I2C启动

static void sw_i2c_start(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{// I2C 开始时序：SCL=1时，SDA由1变成0.SW_I2C_SDA_HIGH;         i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_HIGH;           i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SDA_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);
}

3、I2C停止

static void sw_i2c_stop(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{// I2C 开始时序：SCL=1时，SDA由0变成1.SW_I2C_SDA_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SDA_HIGH;
}

4、等待数据接收方反馈ACK

static uint8_t sw_i2c_wait_ack(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{uint8_t sda_status;uint8_t wait_time=0;uint8_t ack_nack = 1;//先设置SDA脚为输入SW_I2C_SDA_INPUT;//等待SDA脚被从机拉低while(SW_I2C_SDA_STATUS){wait_time++;//如果等待时间过长，则退出等待if (wait_time>=200){ack_nack = 0;break;}}// SCL由0变为1，读入ACK状态// 如果此时SDA=0，则是ACK// 如果此时SDA=1，则是NACKi2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);//再次将SCL=0，并且将SDA脚设置为输出SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SDA_OUTPUT;i2c_delay_us(I2C_DELAY);return ack_nack;
}

5、发送ACK给数据发送方

static void sw_i2c_send_ack(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{// 发送ACK就是在SDA=0时，SCL由0变成1SW_I2C_SDA_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);
}

6、发送NACK给数据发送方

static void sw_i2c_send_nack(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{// 发送NACK就是在SDA=1时，SCL由0变成1SW_I2C_SDA_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);
}

7、主设备向从设备写一个字节

static void sw_i2c_write_byte(sw_i2c_gpio_t *gpio,uint8_t aByte)
{uint8_t i;for (i=0;i<8;i++){//先将SCL拉低；SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);//然后在SDA输出数据if(aByte&0x80){SW_I2C_SDA_HIGH;}else{SW_I2C_SDA_LOW;}i2c_delay_us(I2C_DELAY);//最后将SCL拉高，在SCL上升沿写入数据SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);aByte = aByte<<1;//数据位移}//写完一个字节只后要将SCL拉低SW_I2C_SCL_LOW;i2c_delay_us(I2C_DELAY);
}

8、主设备从从设备读一个字节

static uint8_t sw_i2c_read_byte(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{uint8_t i,aByte;//先将SDA脚设置为输入SW_I2C_SDA_INPUT;for (i=0;i<8;i++){//数据位移aByte = aByte << 1;//延时等待SDA数据稳定i2c_delay_us(I2C_DELAY);//SCL=1，锁定SDA数据SW_I2C_SCL_HIGH;i2c_delay_us(I2C_DELAY);//读取SDA状态if(SW_I2C_SDA_STATUS){aByte |= 0x01;}//SCL=0，解除锁定SW_I2C_SCL_LOW;}//读完一个字节，将SDA重新设置为输出SW_I2C_SDA_OUTPUT;return aByte;
}

二、I2C传输数据函数实现

1、模拟I2C初始化

void sw_i2c_init(sw_i2c_gpio_t *gpio)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd ( gpio->SCL_RCC_APB2Periph, ENABLE );                                                                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = gpio->SCL_Pin;    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;   //开漏输出模式   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init (gpio->SCL_Port, & GPIO_InitStructure );RCC_APB2PeriphClockCmd ( gpio->SDA_RCC_APB2Periph, ENABLE );                                                                GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = gpio->SDA_Pin;    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;   //开漏输出模式  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init (gpio->SDA_Port, & GPIO_InitStructure );SW_I2C_SCL_HIGH;SW_I2C_SDA_HIGH;
}

2、主设备向从设备写N个字节数据

void sw_i2c_write_nBytes(sw_i2c_gpio_t *gpio,uint8_t i2c_addr,uint8_t *data,uint8_t len)
{uint8_t j;//如果使用的是7bit地址，需要左位移一位
#ifdef I2C_USE_7BIT_ADDRi2c_addr = i2c_addr<<1;
#endif//启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，写操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr);//如果从机响应ACC则继续，如果从机未响应ACK则停止if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//开始写n个字节数据for (j=0;j<len;j++){sw_i2c_write_byte(gpio,data[j]);// 每写一个字节数据后，都要等待从机回应ACKif (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;}//停止I2Cerr:sw_i2c_stop(gpio);
}

3、主设备从从设备读取N个字节数据

void sw_i2c_read_nBytes(sw_i2c_gpio_t *gpio,uint8_t i2c_addr,uint8_t *buf,uint8_t len)
{uint8_t j;//如果使用的是7bit地址，需要左位移一位
#ifdef I2C_USE_7BIT_ADDRi2c_addr = i2c_addr<<1;
#endif//启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，读操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr|0x01);//如果从机响应ACC则继续，如果从机未响应ACK则停止if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//开始读n个字节数据for (j=0;j<len;j++){buf[j]=sw_i2c_read_byte(gpio);// 每读一个字节数据后，都要发送ACK给从机sw_i2c_send_ack(gpio);}//停止I2Cerr:sw_i2c_stop(gpio);
}

4、主设备向从设备16Bit长度的寄存器地址读取N个字节

void sw_i2c_send2read_16bit(sw_i2c_gpio_t *gpio,uint8_t i2c_addr,uint16_t reg,uint8_t *buf,uint8_t len)
{uint8_t j;//如果使用的是7bit地址，需要左位移一位
#ifdef I2C_USE_7BIT_ADDRi2c_addr = i2c_addr<<1;
#endif//启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，写操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr);//如果从机响应ACC则继续，如果从机未响应ACK则停止if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//写寄存器地址高8位sw_i2c_write_byte(gpio,(reg>>8)&0xff);if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//写寄存器地址低8位sw_i2c_write_byte(gpio,reg&0xff);if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//重新启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，读操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr|0x01);if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//开始读n个字节数据for (j=0;j<len;j++){buf[j]=sw_i2c_read_byte(gpio);// 每读一个字节数据后，都要发送ACK给从机sw_i2c_send_ack(gpio);}//停止I2Cerr:sw_i2c_stop(gpio);
}

5、主设备向从设备8Bit长度的寄存器地址读取N个字节

void sw_i2c_send2read_8bit(sw_i2c_gpio_t *gpio,uint8_t i2c_addr,uint8_t reg,uint8_t *buf,uint8_t len)
{uint8_t j;//如果使用的是7bit地址，需要左位移一位
#ifdef I2C_USE_7BIT_ADDRi2c_addr = i2c_addr<<1;
#endif//启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，写操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr);//如果从机响应ACC则继续，如果从机未响应ACK则停止if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//写寄存器地址sw_i2c_write_byte(gpio,reg);if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//重新启动I2Csw_i2c_start(gpio);//写I2C从机地址，读操作sw_i2c_write_byte(gpio,i2c_addr|0x01);if (!sw_i2c_wait_ack(gpio))goto err;//开始读n个字节数据for (j=0;j<len;j++){buf[j]=sw_i2c_read_byte(gpio);// 每读一个字节数据后，都要发送ACK给从机sw_i2c_send_ack(gpio);}//停止I2Cerr:sw_i2c_stop(gpio);
}

三、应用举例

我们使用这一份驱动代码，定义两组I2C，来读写MCP4725的寄存器

#define MCP4725_DAC1_I2C_ADDR       (0xC0>>1)//DAC1 的I2C地址（7Bit模式，要把驱动中宏I2C_USE_7BIT_ADDR打开）
#define MCP4725_DAC2_I2C_ADDR       (0xC0>>1)//DAC2 的I2C地址（7Bit模式，要把驱动中宏I2C_USE_7BIT_ADDR打开）
sw_i2c_gpio_t dac1_i2c_port; //定义DAC1的I2C引脚
sw_i2c_gpio_t dac2_i2c_port; //定义DAC2的I2C引脚
/**************************************************************************
***                           对DAC芯片进行初始化                         ***
***************************************************************************/
void dac_init(void)
{      //对DAC1的I2C引脚进行负值
dac1_i2c_port.SCL_RCC_APB2Periph = RCC_APB2Periph_GPIOD;dac1_i2c_port.SCL_Port=GPIOD;dac1_i2c_port.SCL_Pin=GPIO_Pin_2;dac1_i2c_port.SDA_RCC_APB2Periph = RCC_APB2Periph_GPIOC;dac1_i2c_port.SDA_Port=GPIOC;dac1_i2c_port.SDA_Pin=GPIO_Pin_12;//对DAC2的I2C引脚进行负值dac2_i2c_port.SCL_RCC_APB2Periph = RCC_APB2Periph_GPIOC;dac2_i2c_port.SCL_Port=GPIOC;dac2_i2c_port.SCL_Pin=GPIO_Pin_11;dac2_i2c_port.SDA_RCC_APB2Periph = RCC_APB2Periph_GPIOC;dac2_i2c_port.SDA_Port=GPIOC;dac2_i2c_port.SDA_Pin=GPIO_Pin_10;
sw_i2c_init(&dac1_i2c_port);//对DAC1的I2C进行初始化sw_i2c_init(&dac2_i2c_port);//对DAC2的I2C进行初始化
}
/**************************************************************************
***                       读取DAC芯片寄存器的值                           ***
***************************************************************************/
void mcp4725_read_reg(uint8_t ch,uint8_t *reg_data)
{if(ch == 1)//读取DAC1寄存器的值   sw_i2c_read_nBytes(&dac1_i2c_port,MCP4725_DAC1_I2C_ADDR,reg_data,5);else if(ch == 2)//读取DAC2寄存器的值  sw_i2c_read_nBytes(&dac2_i2c_port,MCP4725_DAC2_I2C_ADDR,reg_data,5);
}
/**************************************************************************
***                 写DAC芯片寄存器，实现DAC输出模拟电压                    ***
***************************************************************************/
void mcp4725_write_data_voltage(uint8_t ch,uint8_t mode,uint16_t voltage)   //电压单位mV
{uint8_t data_buf[3];uint16_t Dn;Dn = ( 4096 * voltage) / MCP4725_VREF;if(mode == 0) // 快速模式写dac 寄存器{data_buf[0] = ((Dn&0x0F00)>>8);// | 0x6F;data_buf[1] = Dn & 0x00FF;
if(ch == 1)sw_i2c_write_nBytes(&dac1_i2c_port,MCP4725_DAC1_I2C_ADDR,data_buf,2);else if(ch == 2)sw_i2c_write_nBytes(&dac2_i2c_port,MCP4725_DAC2_I2C_ADDR,data_buf,2);}else if(mode == 1) // 写DAC寄存器{data_buf[0] = 0x40;data_buf[1] = (Dn&0x0FFF)>>4;// | 0x6F;data_buf[2] = ((Dn&0x0FFF)<<4) & 0x00F0;if(ch == 1)sw_i2c_write_nBytes(&dac1_i2c_port,MCP4725_DAC1_I2C_ADDR,data_buf,3);else if(ch == 2)sw_i2c_write_nBytes(&dac2_i2c_port,MCP4725_DAC2_I2C_ADDR,data_buf,3);}else if(mode == 2) // 写DAC寄存器和EEPROM{data_buf[0] = 0x60;data_buf[1] = (Dn&0x0FFF)>>4;// | 0x6F;data_buf[2] = ((Dn&0x0FFF)<<4) & 0x00F0;if(ch == 1)sw_i2c_write_nBytes(&dac1_i2c_port,MCP4725_DAC1_I2C_ADDR,data_buf,3);else if(ch == 2)sw_i2c_write_nBytes(&dac2_i2c_port,MCP4725_DAC2_I2C_ADDR,data_buf,3);}}

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