I2C Bit-Bang 程序分析

一、Bit Bang

关于 Bit Bang 的解释:Use software to control serial communication at general-purpose I/O pins,简单来讲就是使用软件通过 IO 脚去实现 I2C 的时序从而使用 I2C 协议进行通信。

这样做的好处是可以突破硬件上的限制,例如芯片不具有硬件 I2C 模块,或者硬件 I2C 模块损坏,又或者使用硬件 I2C 模块时布线非常麻烦。坏处是需要写代码模拟时序,根据不同的硬件平台和不同的时钟频率,代码中的部分参数是不一样的。

二、代码分析

以下代码基于 STM32 系列 MCU

使用软件模拟 I2C 的步骤如下:

  • 1、设置 GPIO 管脚
    设置两个管脚作为 SCL 和 SDA,例如 GPIOA1 和 GPIOA2
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    #define SCL_PORT GPIOA
    #define SCL_PIN GPIO_Pin_1
    #define SCL_HIGH GPIOA->BSRR=(uint32_t)GPIO_Pin_1
    #define SCL_LOW GPIOA->BRR=(uint32_t)GPIO_Pin_1
    #define SDA_PORT GPIOA
    #define SDA_PIN GPIO_Pin_2
    #define SDA_HIGH GPIOA->BSRR=(uint32_t)GPIO_Pin_2
    #define SDA_LOW GPIOA->BRR=(uint32_t)GPIO_Pin_2
    #define SDA_READ (uint16_t)(GPIOA->IDR&GPIO_Pin_2)
    #define SDA_OUT GPIOA->MODER|=(((uint32_t)GPIO_Mode_OUT) << (2 * 2))
    #define SDA_IN GPIOA->MODER&=~(GPIO_MODER_MODER0<<(2 * 2))
  • 2、SCL时钟周期

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    void I2C_Delay(void)
    {
    uint8_t i = 200; //根据具体的硬件平台和主频调整
    while(i--);
    }
  • 3、附加设置
    这里主要是使用宏定义模拟函数

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    #define SCL_OUTH() SCL_HIGH
    #define SCL_OUTL() SCL_LOW
    #define SDA_OUTH() SDA_HIGH
    #define SDA_OUTL() SDA_LOW
    #define SDA_SETIN() SDA_IN
    #define SDA_READ() SDA_READ
    void SDA_SETOUT(void)
    {
    SDA_IN;
    SDA_OUT; //确保 IO 为输出模式
    }
  • 4、I2C 启动
    这里写图片描述

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    void I2C_Start(void)
    {
    SCL_OUTH();
    SDA_OUTH();
    I2C_Delay();
    SDA_OUTL();
    I2C_Delay();
    SCL_OUTL();
    I2C_Delay();
    }
  • 5、I2C停止
    这里写图片描述

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    void I2C_Stop(void)
    {
    SCL_OUTL();
    SDA_OUTL();
    I2C_Delay();
    SCL_OUTH();
    I2C_Delay();
    SDA_OUTH();
    Delay(Delay5ms); //Delay() 为系统延时,用于确保数据传输正确
    }
  • 6、发送 8 位数据,返回值为从响应 ACK 标志

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    uint8_t I2C_WriteByte(uint8_t Data)
    {
    uint8_t i,bAck=0;
    for(i=0;i<8;i++) //循环加移位,不断地将数据通过 SDA 管脚的高低电平发送出去
    {
    SCL_OUTL();
    if (Data & 0x80)
    SDA_OUTH();
    else
    SDA_OUTL();
    I2C_Delay();
    SCL_OUTH();
    I2C_Delay();
    Data <<= 1;
    }
    SCL_OUTL();
    I2C_Delay();
    SCL_OUTH();
    I2C_Delay();
    SDA_SETIN(); //设置 SDA 管脚为输入模式
    if(SDA_READ()) //判断从机响应
    bAck = 1;
    else
    bAck = 0;
    SCL_OUTL();
    SDA_SETOUT();
    SDA_OUTH();
    I2C_Delay();
    return ((uint8_t)(!bAck));
    }
  • 7、接收 8 位数据
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    uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t bLSByte)
    {
    uint8_t i,Data=0;
    SDA_SETIN();
    for(i=8; i!=0; i--) //循环加移位接收 8 位数据
    {
    SCL_OUTL();
    Data = Data << 1;
    I2C_Delay();
    SCL_OUTH();
    I2C_Delay();
    if(SDA_READ())
    Data |= 0x01;
    else
    Data &= 0xfe;
    }
    SCL_OUTL();
    SDA_SETOUT();
    if(bLSByte)
    SDA_OUTH(); // for Nack
    else
    SDA_OUTL(); // for ACK
    I2C_Delay();
    SCL_OUTH();
    I2C_Delay();
    SCL_OUTL();
    I2C_Delay();
    return(Data);
    }

三、操作实例

以下代码为通过调用上面的基本代码来实现 I2C 通信

  • 1、设置 DAC 寄存器的值

    三个参数分比为从机地址,寄存器地址,8 位数据

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uint8_t DAC_Write_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr,uint8_t Data)
{
uint8_t succ,time=0;
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave);
while((succ!=1)&&(time<3)) //从机没有响应,重试三次
{
I2C_Stop();
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave);
time++;
}
succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr); //发送寄存器地址
succ=I2C_WriteByte(Data); //发送数据
I2C_Stop();
return succ;
}
  • 2、读取 DAC 寄存器的值

    两个参数分别为从机地址,寄存器地址,返回数据为 16 位。这是由于某些器件的硬件设计,采用 7 位表示寄存器地址,而每个寄存器包含 9 位数据。更常见的方式为 8 位寄存器地址,一个寄存器 8 位数据,这种方式的代码仅返回 8 位数据,见代码 2。

代码 1,返回 16 位数据,不常见

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uint16_t DAC_Read_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr)
{
uint8_t Data[2];
uint8_t succ,time=0;
uint16_t retData=0;
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave);
while((succ!=1)&&(time<3))
{
I2C_Stop();
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave);
time++;
}
succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr);
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte((Slave|0x01));
Data[0] = I2C_ReadByte(0);
Data[1] = I2C_ReadByte(1);
I2C_Stop();
retData = (uint16_t)Data[0]<<8;
retData += (uint16_t)Data[1];
return retData;
}

代码 2,返回 8 位数据

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uint8_t DAC_Read_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr)
{
uint8_t succ,time=0;
uint8_t dat;
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave+1); //加 1 代表读数据
while((succ!=1)&&(time<3)) //从机没有响应,重试三次
{
I2C_Stop();
I2C_Start();
succ=I2C_WriteByte(Slave+1);
time++;
}
succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr); //发送寄存器地址
dat=I2C_ReadByte(0); //发送数据
I2C_Stop();
return dat;
}