从零开始学嵌入式之STM32——12.使用STM32普通引脚通过软件模拟实现I2C通讯协议

前言

IIC协议，是嵌入式领域常用的通讯协议，本文介绍了使用软件模拟IIC协议的简单实现，通过阅读本文，可以了解IIC协议的基本原理和实现。

目录

一、I2C协议简介

1.传输速率：

2.与USART相比：

二、I2C的物理层

1.I2C通信物理层规则

三、I2C的协议层

四.操作时序图整理

五、软件模拟I2C

1.硬件电路

2.软件模拟实现I2C协议

2.1.头文件

3.2.IIC协议函数实现

六、信息的读写操作

1.头文件

2.源文件

七、其余辅助功能模块

1.延时模块

2.串口输出模块

---

一、I2C协议简介

I2C（inter-integrated circuit，集成电路总线） 是飞利浦公司开发的一种通信协议，是一种简单的 双向两线制 的 总线协议 标准，支持 同步串行半双工通讯。
I2C的特点是：引脚少、硬件简单、可扩展性强。在嵌入式领域应用非常广泛。后来飞利浦公司将这个协议进行了开放，成为了一个通用协议。
目前I2C协议广泛的使用在嵌入式系统内 多个集成电路间的低速通讯。

1.传输速率：

标准模式：100kbit/s；
快速模式：400kbit/s；
高速模式：3.4Mbit/s，（目前大多IIC设备上不支持高速模式）

2.与USART相比：

115200波特率下：115.2kbit/s
理论最高速率：4.5Mbit/s
可见I2C和USART速率相差不大，都是低速串行通信。但是I2C协议比USART的硬件组成更加简单。

二、I2C的物理层

I2C的物理层组成如下图所示：

1.I2C通信物理层规则

• 主机（MCU）和从机之间组成一个I2C通信总线，总线由两根线组成：SCL时钟线和SDA数据线。
• **SCL：**串行时钟总线，由发送信号的主机控制，用于同步时钟信号。
• **SDA：**串行数据总线，由信息发送方控制（可以是主机，也可以是从机）用高低电平表示数据。
• I2C协议可以连接多个IIC设备，支持一主多从 也支持多主多从。
• 每个设备都有一个唯一的地址，主机通过这个地址与从机通信。
• 主设备先要找到从设备，通过从设备的地址寻找。
• 与I2C通信的芯片引脚需要设置为通用开漏输出。
• 所有连接到I2C总线上的设备引脚必须为高阻态，总线空闲时由上拉电阻保持高电平。

三、I2C的 协议层

**1.按位传输：**I2C协议采用串行通信，按照位传输，通常先传高位（底层硬件由移位寄存器实现）；
**2.起始信号：**SCL为高电平时，SDA从高电平向低电平切换。这个动作就是起始信号；
**3.停止信号：**SCL为高电平时，SDA从低电平向高电平切换，这个动作就是终止信号；

4.数据的有效性-发送数据
I2C协议规定：必须在SCL为高电平期间读取SDA的数据才有效。SCL为低电平时改变SDA上的数据（SCL为高电平时不能改变SDA，否则不是有效数据，可能错误的识别为开始信号或终止信号）。

5.响应/不响应-ACK/NACK
I2C协议规定：依次发送完成起始信号、8位数据后，在下一个时钟周期内SDA发送一个低电平代表ACK，发送一个高电平代表NACK。

6.传输地址及读写命令

• I2C协议规定：主机通过SDA信号线传送设备地址来查找从机，设备地址可以是7位或10位，实际应用中7位地址应用比较广泛。
• 紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位，第8位或第11位。
• 数据方向位为1时，表示主机由从机读数据
• 数位方向位为0时，表示主机向从机写数据
  

四.操作时序图整理

起始和停止信号

数据有效性

响应和非响应

写入一个字节时序

读出一个字节时序

单次写入多个字节时序

一次性写入多个字节的操作，称为页写入（Page Write）。M24C02每页有16个字节，每次写操作能写入单独的一个页中，所以一次性最多可以写入16个字节。当一次性写入超过16个字节的时候，超过的部分会重新从这页的首地址重新写入。
单次读出多个字节时序

读出多个字节的时候没有限制，可以读出任意多个。
总结：

1. 发送数据信息时，改变SDA数据线状态前，必须确认SCL时钟线处于低电平；
2. 发送开始/停止信号时，需保持SCL时钟线处于高电平，再改变SDA数据线的状态产生跳变信号：

• 此期间SDA高→低跳变，代表起始信号；
• 此期间SDA低→高跳变，代表停止信号。

1. 完成普通数据/应答位的发送后，需将SCL拉低（为下一位数据准备做准备）；若发送的是停止信号，发送完成后需释放SDA和SCL（交由上拉电阻拉为高电平）。
2. SCL时钟线拉高并保持稳定的期间为采样时间：

• 此期间SDA保持稳定不变，代表传输的是1位有效数据（0或1）；
• 此期间SDA发生跳变，仅用于传递起始/停止信号（而非数据）。

1. SCL时钟线拉低的期间，可自由修改SDA的数据状态，此阶段不发生有效数据传递，仅用于为下一次采样准备数据。

五、软件模拟I2C

以STM32F103ZET6为主控芯片，DS24C02芯片为EEPROM。实现软件模拟I2C。

1.硬件电路

2.软件模拟实现I2C协议

2.1.头文件

选择使用GPIOB10引脚和GPIOB11引脚作为I2C通信议引脚，其中GPIOB10为SCL(时钟线)，GPIOB11为SDA(数据线)。
为提升代码可读性，可以将对应的管脚操作定义为宏：
代码文件：iic.h

#ifndef __IIC_H
#define __IIC_H

// 包含的头文件
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"

// 宏定义
// IIC通信接口定义：选用GPIOB10\11两个接口作为IIC通信接口，GPIOB10口为时钟接口IIC_SCL;GPIOB11口为数据口IIC_SDA;
#define IIC_SCL_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR10)
#define IIC_SCL_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10)
#define IIC_SDA_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR11)
#define IIC_SDA_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR11)

// 获取数据线的状态
#define READ_SDA (GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR11)

// 应答宏定义
#define ACK 0
#define NACK 1

// 延时宏定义
#define DELAY (Delay_nus(10))

// 函数声明
// 初始化函数
void IIC_Init(void);
// 起始信号
void IIC_Start(void);
// 终止信号
void IIC_Stop(void);
// 发送ACK
void IIC_Send_ACK(void);
// 发送NACK
void IIC_Send_NACK(void);
// 等待ACK
uint8_t IIC_Wait_ACK(void);
// 发送一字节数据
void IIC_Send_Byte(uint8_t send_byte);
// 接收一字节数据
uint8_t IIC_Receive_Byte(void);

#endif

3.2.IIC协议函数实现

用于I2C通信的引脚需要工作在 通用开漏输出模式，通过总线的上拉电阻保持默认高电平状态。
代码文件：iic.c

#include "iic.h"

// 初始化函数
void IIC_Init(void)
{
    // 打开时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    
    // 配置引脚模式，GPIOB10作为时钟线使用;GPIOB11作为数据线,模拟IIC通信时，管脚需要配置为通用开漏输出模式CNF-01;MODE-11;--需要外接上拉电阻
    // 配置前先清空可能得残留配置
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF11;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE11;

    // 端口模式配置
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10_1;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE10;

    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF11_0;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF11_1;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE11;

}

// 起始信号
void IIC_Start(void)
{
    // 1.准备好信号发出前的数据线和时钟线的状态。首先将SCL拉低，之后再操作SDA
    IIC_SCL_LOW;    // 拉低时钟线
    DELAY;
    IIC_SDA_HIGH;   // 拉高数据线
    IIC_SCL_HIGH;   // 拉高时钟线，开始采样
    DELAY;   
    
    // 2.时钟线保持不变，数据线拉低，发出开始信号。延时
    IIC_SDA_LOW;
    DELAY;

    // 3.时钟线拉低，结束采样，延时
    IIC_SCL_LOW;
    DELAY;

}

// 终止信号
void IIC_Stop(void)
{
    // 1.准备好信号发出前数据线和时钟线的状态，数据线低，时钟线高
    IIC_SCL_LOW;    // 操作数据线之前先拉低时钟线
    DELAY;
    IIC_SDA_LOW;    // 拉低数据线
    IIC_SCL_HIGH;   // 拉高时钟线，开始采样
    DELAY;
    // 2.操作数据线，发出停止信号
    IIC_SDA_HIGH;   // 拉高数据线，发出停止信号
    DELAY;
    // 3.注意：发出停止信号后，需要让出数据线和时钟线的控制权，不可再执行拉低操作
}
// 发送ACK
void IIC_Send_ACK(void)
{
    // 1.准备好信号发出前的数据线和时钟线的状态
    IIC_SCL_LOW;    // 先拉低时钟线
    DELAY;
    IIC_SDA_HIGH;   // 拉高数据线
    DELAY;
    // 2.发送ACK信号
    IIC_SDA_LOW;    // 拉低数据线，发出信号
    DELAY;
    IIC_SCL_HIGH;   //  拉高时钟线，开始采样
    DELAY;
    IIC_SCL_LOW;    // 拉低时钟线，结束采样
    DELAY;
    // 3.结束，保证时钟线为低电平，数据线为高电平（释放状态）
    IIC_SDA_HIGH;
    DELAY;
}
// 发送NACK
void IIC_Send_NACK(void)
{
    // 1.准备好信号发出前的数据线和时钟线的状态
    IIC_SCL_LOW;    // 先拉低时钟线
    DELAY;
    IIC_SDA_HIGH;   // 拉高数据线
    DELAY;
    // 2.发送ACK信号,数据线保持高电平
    IIC_SCL_HIGH;   //  拉高时钟线，开始采样
    DELAY;
    IIC_SCL_LOW;    // 拉低时钟线，结束采样
    DELAY;
    // 3.结束，保证时钟线为低电平，数据线为高电平（释放状态）
}
// 等待ACK
uint8_t IIC_Wait_ACK(void)
{
    uint8_t ack = 0;
    // 1.准备好接收信号前的数据线和时钟线的状态
    IIC_SCL_LOW;
    IIC_SDA_HIGH;
    DELAY;
    // 2.发出时钟脉冲，采样数据线
    IIC_SCL_HIGH;   // 拉高时钟线
    DELAY;
    (READ_SDA == 0) ? (ack = ACK) : (ack = NACK);  // READ_SDA如果是0，代表ACK，如果是1，代表NACK
    IIC_SCL_LOW;    // 结束采样
    return ack;
}
// 发送一字节数据
void IIC_Send_Byte(uint8_t send_byte)
{
    uint8_t temp = 0x80;
    // 1.拉低时钟线，准备发送数据
    IIC_SCL_LOW;
    DELAY;
    // 2.取需要发送的数据的1位发送到SDA，从高位开始
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        
        if(send_byte & temp)
        {
            IIC_SDA_HIGH;
        }
        else
        {
            IIC_SDA_LOW;
        }
        temp >>= 1;
        DELAY;
        IIC_SCL_HIGH;   // 拉高时钟线，开始采样
        DELAY;
        IIC_SCL_LOW;    // 拉低时钟线，结束采样
        DELAY;
    }
    // 3.发送完毕后释放数据线
    IIC_SDA_HIGH;   
}
// 接收一字节数据
uint8_t IIC_Receive_Byte(void)
{
    uint8_t temp = 0;
    // 1.拉低时钟线，释放数据线，准备接收数据
    IIC_SCL_LOW;
    IIC_SDA_HIGH;
    DELAY;
    // 2.接收数据
    for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        IIC_SCL_HIGH;   // 拉高时钟线，开始采样
        DELAY;
        temp <<= 1; // 为保证最低位在最右边，需要先位移后赋值
        if(READ_SDA) // 非0，代表读到1
        {
            temp |= 1;
        }
        IIC_SCL_LOW;
        DELAY;
    }
    // 3.完成接收
    return temp;
}

以上的iic.h和iic.c文件实现了IIC的基础操作：发送起始/停止信号，发送/接收ACK/NACK，发送/接收1byte数据。如果要实现EEPROM的读写，还需要结合EEPROM对应的操作要求，这些要求，我们通过DS24C02.h和DS24C02.c文件实现。

六、信息的读写操作

1.头文件

文件名：DS24C02.h

#ifndef __DS24C02_H
#define  __DS24C02_H

#include "iic.h"

#define WRITE_ADD 0XA0
#define READ_ADD 0XA1
// 写一个字节
void DS24C02_Write_Byte(uint8_t write_byte, uint8_t rom_add);
// 写连续n个字节
void DS24C02_Write_Bytes(uint8_t* buffer, uint8_t rom_start_add, uint8_t n);
// 读一个字节
uint8_t DS24C02_Read_Byte(uint8_t rom_add);
// 读连续n个字节
void DS24C02_Read_Bytes(uint8_t* buffer, uint8_t rom_start_add, uint8_t n);

#endif

2.源文件

文件名：DS24C02.c

#include "ds24c02.h"

// 写一个字节
void DS24C02_Write_Byte(uint8_t write_byte, uint8_t rom_add)
{
    // 1.假写阶段--向芯片发送寻址、写入地址等信息
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+写命令
    IIC_Send_Byte(WRITE_ADD);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();
    // 发送写入数据的地址
    IIC_Send_Byte(rom_add);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();

    // 2.真写阶段
    // 发送写入的数据
    IIC_Send_Byte(write_byte);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();
    // 发送停止信号
    IIC_Stop();
    // 给DS24C02一点反映时间
    Delay_nms(5);
}

// 写连续n个字节
void DS24C02_Write_Bytes(uint8_t* buffer, uint8_t rom_start_add, uint8_t n)
{
    // 1.假写阶段--向芯片发送寻址、写入地址等信息
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+写命令
    IIC_Send_Byte(WRITE_ADD);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();
    // 发送写入数据的起始地址
    IIC_Send_Byte(rom_start_add);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();

    // 2.真写阶段
    for(uint8_t i = 0; i < n; i++)
    {
        // 发送写入的数据
        IIC_Send_Byte(*buffer);
        // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
        IIC_Wait_ACK();
        buffer++;
    }
    // 发送停止信号
    IIC_Stop();
    // 给DS24C02一点反映时间
    Delay_nms(5);
}

// 读一个字节
uint8_t DS24C02_Read_Byte(uint8_t rom_add)
{
    // 1.假写阶段--向芯片发送寻址、写入地址等信息
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+写命令
    IIC_Send_Byte(WRITE_ADD);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();
    // 发送读取数据的地址
    IIC_Send_Byte(rom_add);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();

    // 2.读数据阶段
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+读命令
    IIC_Send_Byte(READ_ADD);
    // 等待ack
    IIC_Wait_ACK();
    // 接收数据
    uint8_t temp =  IIC_Receive_Byte();
    // 发送NACK
    IIC_Send_NACK();
    // 完成接收后发送停止信号
    IIC_Stop();
    // 返回接收到的数据
    return temp;
}

// 读连续n个字节
void DS24C02_Read_Bytes(uint8_t* buffer, uint8_t rom_start_add, uint8_t n)
{
    // 1.假写阶段--向芯片发送寻址、写入地址等信息
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+写命令
    IIC_Send_Byte(WRITE_ADD);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();
    // 发送读取数据的起始地址
    IIC_Send_Byte(rom_start_add);
    // 等待ack,此处先简化处理，后期再建立错误报告机制
    IIC_Wait_ACK();

    // 2.读数据阶段
    // 开始信号
    IIC_Start();
    // 发送芯片地址+读命令
    IIC_Send_Byte(READ_ADD);
    // 等待ack
    IIC_Wait_ACK();
    // 接收数据
    for(uint8_t i = 0; i < n; i++)
    {
        *buffer =  IIC_Receive_Byte();
        buffer++;
        (i == (n - 1)) ? IIC_Send_NACK() : IIC_Send_ACK();    // 按照协议要求：连续接收数据时，每次接收一个数据后接收方需要向发送方回应一个ACK，最后一个字节接受完后，回复一个NACK
    }
    // 完成接收后发送停止信号
    IIC_Stop();
    // 返回接收到的数据
}

七、其余辅助功能模块

在协议实现的过程中，使用到了延时功能，后期调试时也会用到串口输出功能，下面给出这些辅助功能模块的实现。

1.延时模块

头文件

文件名：delay.h

#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H
#include "stm32f10x.h"
// 函数声明
void Delay_nus(uint16_t nus);
void Delay_nms(uint16_t nms);
#endif

源文件

文件名：delay.c

#include "delay.h"

void Delay_nus(uint16_t nus)
{
    SysTick->LOAD = 72 * nus;
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_CLKSOURCE;// 使用系统时钟，不分频
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_TICKINT;// 不产生中断
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE;// 打开时钟

    while((SysTick->CTRL & SysTick_CTRL_COUNTFLAG) == 0);// 计时结束后countflag位会置1
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE;// 关闭时钟
}
void Delay_nms(uint16_t nms)
{
    while(nms--)
    {
        Delay_nus(1000);// 1ms
    }
}

2.串口输出模块

头文件

文件名：usart.h

#ifndef __USART_H
#define __USART_H

// 包含需要的头文件
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>

// 声明函数
// 串口初始化
void USART1_Init(void);
// 发送一个字节
void USART1_Send_Char(uint8_t ch);
// 实现一个简单的fputc函数，供printf调用，函数的返回值和参数不能变
int fputc(int ch, FILE* file);

#endif

源文件

文件名：usart.c

#include "usart.h"

//函数初始化
void USART1_Init(void)
{
    // 1.打开时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    // 2.设置引脚工作模式
    // 2.1.GPIOA9-TX,设置为复用功能推挽输出模式；CNF-10;MODE-11;
    // 2.2.GPIOA10-RX,设置为浮空输入模式；CNF-01;MODE-00;
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF9_0;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9;

    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10_1;
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10;

    // 3.设置波特率,时钟频率：72MHz，波特率115200
    USART1->BRR = 0X271;
    // 4.使能串口
    USART1->CR1 |= (USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE);
    // 5.选配（默认配置）
    USART1->CR1 &= ~USART_CR1_M;
    USART1->CR1 &= ~USART_CR1_PCE;
    USART1->CR2 &= ~USART_CR2_STOP;
}
// 发送一个字节
void USART1_Send_Char(uint8_t ch)
{
    while((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0);// 等待上一个数据发送完成；TXE：初始值1 代表发送缓冲区内没有可发送的数据
    USART1->DR = ch;
}
// 实现一个简单的fputc函数，供printf调用，函数的返回值和参数不能变
int fputc(int ch, FILE* file)
{
    USART1_Send_Char((uint8_t)ch);
    return ch;
}