I2C协议之软件模拟（一）

I2C（Inter－Integrated Circuit）协议是一种用于同步、半双工、串行总线（由SCL时钟线、SDA数据线组成）上的协议。规定了总线空闲状态、起始条件、停止条件、数据有效性、字节格式、响应ACK信号、从设备地址选择、数据方向。有主从机之分，主机master就是掌控SCL时钟信号的一方，并且起始信号和停止信号也由主机发送。

一、协议说明

（1）总线空闲状态：SCL、SDA均为高电平，此时主从设备都不控制总线（主从设备的SDA和SCL引脚为输入或者开漏输出），由外部上拉电阻将总线拉高。

（2）起始条件：SCL在高电平的时候，SDA出现下降沿，如下图：

（3）停止条件：SCL在高电平的时候，SDA出现上升沿，如下图：

（4）数据有效性：什么时候读数据（读SDA电平）有效？在SCL为高电平时，读数据有效。什么时候写数据（改变SDA电平）有效？在SCL为低电平时，写数据有效。读写时序如下图：

（5）字节格式：发送到SDA线上的每个字节必须为8位，首先传输的时字节最高位（MSB）。

（6）响应ACK：为确保发送数据被对方可靠地接收，接收方必须发出ACK信号表示已成功接收数据。这个ACK信号就是接收方在接收完一个字节数据后，SCL的第一个下降沿处拉低SDA。发送方如何接收这个ACK？在发送方发送完一个字节数据后，SCL的第一个高电平处读取SDA线（SDA引脚处于输入状态不会使SDA拉低），如果读出为低，则表示接收方成功接收到数据。在发送方读取完ACK后，接收方需要释放SDA，即在SCL的第二个下降沿处将SDA设置为开漏输出，释放SDA总线。

（7）从设备地址选择和数据方向：在发送起始信号之后，紧接着发送的一个字节，其前7位是从设备的地址，最后一位表示数据传输的方向，0表示写（即接下来由主机发送数据），1表示读（即接下来由主机接收数据）。

二、C代码实现

下面模拟的时I2C master主机的时序。SCL信号由主机发出。
（1）模拟I2C使用到的IO口配置和延时函数，与平台相关（以STM8L为例）

//SCL引脚配置为输出
#define SCL_SET_OUTPUT()        GPIO_Init(I2C_SCL_GROUP, I2C_SCL_PIN, GPIO_Mode_Out_OD_HiZ_Fast)
//SCL引脚配置为输入
#define SCL_SET_INPUT()         GPIO_Init(I2C_SCL_GROUP, I2C_SCL_PIN, GPIO_Mode_In_FL_No_IT)

//SDA引脚配置为输出
#define SDA_SET_OUTPUT()        GPIO_Init(I2C_SDA_GROUP, I2C_SDA_PIN, GPIO_Mode_Out_OD_HiZ_Fast)
//SDA引脚配置为输入
#define SDA_SET_INPUT()         GPIO_Init(I2C_SDA_GROUP, I2C_SDA_PIN, GPIO_Mode_In_FL_No_IT)

//读SCL引脚电平
#define SCL_READ()              GPIO_ReadInputDataBit(I2C_SCL_GROUP, I2C_SCL_PIN)
//读SDA引脚电平
#define SDA_READ()              GPIO_ReadInputDataBit(I2C_SDA_GROUP, I2C_SDA_PIN)

//SCL引脚拉高
#define SCL_WRITE_HIGH()        GPIO_SetBits(I2C_SCL_GROUP, I2C_SCL_PIN)
//SCL引脚拉低
#define SCL_WRITE_LOW()         GPIO_ResetBits(I2C_SCL_GROUP, I2C_SCL_PIN)

//SDA引脚拉高
#define SDA_WRITE_HIGH()        GPIO_SetBits(I2C_SDA_GROUP, I2C_SDA_PIN)
//SDA引脚拉低
#define SDA_WRITE_LOW()         GPIO_ResetBits(I2C_SDA_GROUP, I2C_SDA_PIN)

//延时的目的是I2C设备由上升沿和下降沿时间，延时周期一般大于1/400KHz即可。该延时也决定了数据传输的速率
void delay_us(uint8_t delay_time)
{
    while(delay_time--)
    {
        nop();
    }
}

（2）起始信号

void i2c_start(void)
{
    //对SCL和SDA进行输出配置
    SDA_SET_OUTPUT();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //拉高SCL和SDA
    SDA_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);

    SCL_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //在SCL高电平时，SDA出现下降沿，即触发开始信号
    SDA_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);
}

（3）停止信号

void i2c_stop(void)
{
    //对SCL和SDA进行输出配置
    SDA_SET_OUTPUT();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //拉高SCL，拉低SDA
    SDA_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);

    SCL_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //在SCL高电平时，SDA出现上升沿，即触发停止信号
    SDA_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);
}

（4）发送数据

/*
 * 返回值  	0：没有收到接收方的ACK信号(此时需要重发数据或者停止传输)
 *         	1：收到了接收方的ACK信号
 */
void i2c_send(uint8_t send_data)
{
    int8_t send_data_index = 0;

    for(send_data_index = 7; send_data_index >= 0; send_data_index--)
    {
        //拉低SCL，改变SDA
        SCL_WRITE_LOW();
        delay_us(DELAY_CNT);

        if(send_data_index == 7)
        {
            SDA_SET_OUTPUT();
            delay_us(DELAY_CNT);
        }

        if(send_data >> send_data_index & 0x01)
        {
            SDA_WRITE_HIGH();
            delay_us(DELAY_CNT);
        }
        else
        {
            SDA_WRITE_LOW();
            delay_us(DELAY_CNT);
        }

        //拉高SCL，保持SDA稳定，供从设备读取
        SCL_WRITE_HIGH();
        delay_us(DELAY_CNT);
    }

    //拉低SCL，触发从设备ACK
    SCL_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);
}

(5)等待ACK信号

uint8_t i2c_wait_ack(void)
{
    uint8_t ack = 0;

    SDA_SET_INPUT();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //读SDA，检测从设备是否回应
    SCL_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);

    ack = (SDA_READ() != RESET) ? 0 : 1;

    SCL_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);

    return ack;
}

(6)接收数据

void i2c_receive(uint8_t *p_receive_buff)
{
    int8_t send_data_index = 0;

    for(send_data_index = 7; send_data_index >= 0; send_data_index--)
    {
        //拉低SCL，供从设备改变SDA
        SCL_WRITE_LOW();
        delay_us(DELAY_CNT);

        if(send_data_index == 7)
        {
            SDA_SET_INPUT();
            delay_us(DELAY_CNT);
        }

        //拉高SCL，读取SDA
        SCL_WRITE_HIGH();
        delay_us(DELAY_CNT);
        if(SDA_READ() != RESET)
        {
            (*p_receive_buff) |= (0x01 << send_data_index);
        }
        else
        {
            (*p_receive_buff) &= ~(0x01 << send_data_index);
        }
    }
}

（7）发送ACK信号

void i2c_send_ack(void)
{
    //读完数据，在第九个时钟（即第八个时钟的下降沿）发出ACK信号
    SCL_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);

    SDA_SET_OUTPUT();
    delay_us(DELAY_CNT);

    SDA_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //释放总线
    SCL_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);
}

（8）发送NACK信号

void i2c_send_no_ack(void)
{
    //读完数据，在第九个时钟（即第八个时钟的下降沿）发出ACK信号
    SCL_WRITE_LOW();
    delay_us(DELAY_CNT);

    SDA_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);

    //释放总线
    SCL_WRITE_HIGH();
    delay_us(DELAY_CNT);
}

在调试过程中有一个需要注意的地方：
①起始信号和停止信号的模拟，不要随便加入SCL的下降沿，因为很有可能在接收数据之后发送一个停止信号，如果此时停止信号中一开始出现SCL下降沿，会是从设备误认为还要发送数据，很有可能将SDA拉低，一旦从设备拉低了SDA，停止信号在拉高SDA时会失败，导致停止信号失效；
②在SCL高电平时，不要切换SDA的输入输出模式，因为很有可能切换SDA输入输出时，SDA引脚上会输出抖动的电平信号，而这时SCL是高电平，所以有可能会误触发起始或停止信号；
③输出要配置成开漏输出。
以上就是I2C协议软件模拟的C代码实现，下一篇将介绍软件模拟I2C的具体应用，以SHT20温湿度传感器为例。