STM32F0+模拟I2C通讯

最新推荐文章于 2025-05-30 09:15:58 发布

飘飘仙儿__

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分类专栏：传感器开发

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本文详细介绍了STM32芯片上软件模拟I2C通信的过程，包括I2C通信的基本信号、时序图、通讯流程以及通过GPIO引脚实现的软件I2C控制。文中还提供了具体的I2C通信函数实现代码，如初始化、发送起始和停止信号、发送和接收字节等。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

所谓的硬件I2C就是STM32芯片上有其相应的外设和驱动电路，通过配置相应的寄存器，就可以完成I2C的通信。本节实验我们介绍软件模拟I2C，软件I2C一般是通过GPIO引脚，按照I2C的时序要求来控制引脚电平状态以产生通讯时序。

1、I2C通信流程中包含信号如下：

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：发送器每发送一个字节，就在第9个时钟脉冲期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。

2、I2C总线时序图如下：

3、I2C通讯过程的基本结构如下所示：

1）主机写数据到从机

2）主机由从机中读数据

3）I2C通讯复合格式

其中 S 表示由主机的 I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就等待主机广播从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C协议，这个从机地址可以是 7位或 10位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

4）数据有效性时序图如下：

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。

5）地址及数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C 协议规定设备地址可以是 7位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。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(R/W)，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，该位为“0”时表示主机向从机写数据，如图：

读数据方向时，主机会释放对 SDA信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

bsp_soft_i2c.c程序如下：

#include "bsp_soft_i2c.h"   
#include <stdbool.h>

// 初始化IIC的IO口
void I2C2_Soft_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // 定义GPIO结构体
	
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);  // 打开GPIOB口时钟
	
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;  // 输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; // 开漏
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = Pin_SCL | Pin_SDA ; // IIC对应IO口
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_Level_3; // 50MHZ
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 初始化GPIO
	
    I2C2_Stop();
}

// 发送IIC起始信号
bool I2C2_Start(void)
{
    Pin_SCL_H; // 拉高时钟线
    Pin_SDA_H; // 拉高信号线
    I2C2_Delay1us();
    if(!Read_SDA_Pin)		return false;
    Pin_SDA_L;
    I2C2_Delay1us();
    Pin_SDA_L;
    I2C2_Delay1us();
    return true;
}

// 发送IIC停止信号
bool I2C2_Stop(void)
{
    Pin_SCL_H;
    Pin_SDA_L;
    I2C2_Delay1us();
    if(Read_SDA_Pin)	return false;
    Pin_SDA_H;
    I2C2_Delay1us();
    if(!Read_SDA_Pin) return false;
    Pin_SDA_H;
    I2C2_Delay1us();	
    return true;
}

// IIC发送ACK信号
void I2C2_Ack(void)
{
    Pin_SCL_L;
    I2C2_Delay1us();
    Pin_SDA_L;	
    Pin_SCL_H;
    I2C2_Delay1us();
    Pin_SCL_L;
    Pin_SDA_H;
    I2C2_Delay1us();
}

// IIC不发送ACK信号
void I2C2_NAck(void)
{
    Pin_SCL_L;
    I2C2_Delay1us();	
    Pin_SDA_H;
    Pin_SCL_H;
    I2C2_Delay1us();
    Pin_SCL_L;
    I2C2_Delay1us();
}

// IIC等待ACK信号
uint8_t I2C2_Wait_Ack(void)
{
    Pin_SCL_L;
    I2C2_Delay1us();	
    Pin_SDA_H;
    Pin_SCL_H;
    I2C2_Delay1us();	
    if(Read_SDA_Pin)
    {
	Pin_SCL_L;
	I2C2_Delay1us();
	return false;
    }
    Pin_SCL_L;
    I2C2_Delay1us();
    return true;
}

// IIC发送一个字节
void I2C2_Send_Byte(uint8_t txd)
{
    for(uint8_t i=0; i<8; i++)
    {
	Pin_SCL_L;
	I2C2_Delay1us();
	if(txd & 0x80)
	    Pin_SDA_H;
	else
	    Pin_SDA_L;
	    txd <<= 1;
	    Pin_SCL_H;
	    I2C2_Delay1us();
    }
}

// IIC读取一个字节
uint8_t	I2C2_Read_Byte(void)
{
    uint8_t rxd = 0;
    for(uint8_t i=0; i<8; i++)
    {
	rxd <<= 1;
	Pin_SCL_L;
	I2C2_Delay1us();
	Pin_SCL_H;	
	I2C2_Delay1us();		
	if(Read_SDA_Pin)
	{
	    rxd |= 0x01;
	}
    }
    return rxd;
}

// 向从机指定地址写数据
bool I2C_Write_REG(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address,uint8_t REG_data)
{
    if(!I2C2_Start())		return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();	return false;	}
    I2C2_Send_Byte(REG_Address);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();	return false;	}
    I2C2_Send_Byte(REG_data);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop(); return false;	}
    if(!I2C2_Stop()) return false;
    return true;
}

// 从设备中读取数据
uint8_t I2C2_Read_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address)
{
    uint8_t data;
    if(!I2C2_Start())	return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();	return false;	}
    I2C2_Send_Byte(REG_Address);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();	return false;	}
    if(!I2C2_Start())	return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress + 1);
    if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();	return false;	}
    data = I2C2_Read_Byte();
    I2C2_NAck();
    if(!I2C2_Stop())	return false;	
    return data;
}

// 连续写N个字节
bool I2C2_Write_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len)
{
    if(!I2C2_Start())return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);  //发送设备地址+写信号
    if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
    I2C2_Send_Byte(REG_Address);   
    if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
    for(uint16_t i=0; i<len; i++)
    {
        I2C2_Send_Byte(buf[i]);
	if(i<len-1)
	{
            if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
	}
    }
    I2C2_Stop();
    return true;
}

// 连续读N个字节
bool I2C2_Read_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len)
{
    if(!I2C2_Start())return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);  //发送设备地址+写信号
    if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
    I2C2_Send_Byte(REG_Address);   
    if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
    if(!I2C2_Start())return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress | 1); // 读操作
    if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
    for(uint16_t i=0; i<len; i++)
    {
        buf[i] = I2C2_Read_Byte();
	if(i<len-1)
	{
	    I2C2_Ack();
	}
    }
    I2C2_NAck();
    I2C2_Stop();
    return true;
}

 // 检查设备地址
bool I2C2_CheckDevice(uint8_t SlaveAddress)
{
    if(!I2C2_Start())	return false;
    I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
    if(!I2C2_Wait_Ack())
    {
	I2C2_Stop();
	return false;		
    }
    if(!I2C2_Stop())	return false;	
    return true;	
}

bsp_soft_i2c.h程序如下：

#ifndef _BSP_SOFT_I2C_H_
#define _BSP_SOFT_I2C_H_

#include "stm32f0xx.h"
#include <stdbool.h>

 // 定义内联延时函数	
static inline void I2C2_Delay1us(void)
{
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();	
}	


#define	I2C2_GPIOx  GPIOB
#define Pin_SCL		GPIO_Pin_10
#define Pin_SDA		GPIO_Pin_11

#define Pin_SCL_L		I2C2_GPIOx->ODR &= ~Pin_SCL
#define Pin_SCL_H		I2C2_GPIOx->ODR |= Pin_SCL

#define Pin_SDA_L		I2C2_GPIOx->ODR &= ~Pin_SDA
#define Pin_SDA_H		I2C2_GPIOx->ODR |= Pin_SDA

#define Read_SDA_Pin	I2C2_GPIOx->IDR & Pin_SDA

void I2C2_Soft_Init(void);			
bool I2C2_Start(void);						
bool I2C2_Stop(void);	  				
void I2C2_Send_Byte(uint8_t txd);
uint8_t I2C2_Read_Byte(void);
uint8_t I2C2_Wait_Ack(void); 		
void I2C2_Ack(void);							
void I2C2_NAck(void);						

bool I2C2_Write_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address,uint8_t REG_data);
uint8_t I2C2_Read_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address);
bool I2C2_Write_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len);
bool I2C2_Read_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len);
bool I2C2_CheckDevice(uint8_t SlaveAddress);
#endif