如何基于stm32实现IIC通信的IO口模拟

在 STM32 上实现 IIC 的 IO 口模拟（bit-banging），核心是通过 GPIO 口模拟 IIC 通信的时序逻辑（SCL 时钟线和 SDA 数据线的高低电平变化）。

以下是具体实现方案：

一、硬件基础

IIC 通信需要两根线：

• SCL：时钟线（双向，由主机控制）

• SDA：数据线（双向，主机 / 从机均可控制）

硬件要求：

1. 选择 STM32 的两个 GPIO 口（例如 PA6=SCL，PA7=SDA）

1. 必须外接上拉电阻（通常 4.7KΩ），因为 IIC 总线通过线与逻辑工作（低电平有效，高电平由上拉维持）

1. GPIO 配置为开漏输出模式（OD），允许外部设备拉低电平，同时支持输入模式切换（读取 SDA 状态）

二、软件实现核心

模拟 IIC 需要实现以下基础时序函数：

• 起始信号（Start）

• 停止信号（Stop）

• 发送一个字节（SendByte）

• 接收一个字节（ReadByte）

• 发送应答（Ack）/ 非应答（Nack）

1. 引脚定义与初始化

首先定义 SCL 和 SDA 的引脚，并初始化 GPIO 为开漏输出模式。

头文件（iic.h）：

#ifndef __IIC_H

#define __IIC_H

#include "stm32f1xx_hal.h" // 根据实际型号修改

// 引脚定义（可根据实际硬件修改）

#define IIC_SCL_PORT GPIOA

#define IIC_SDA_PORT GPIOA

#define IIC_SCL_PIN GPIO_PIN_6

#define IIC_SDA_PIN GPIO_PIN_7

// 宏定义：设置SCL/SDA高低电平

#define IIC_SCL_HIGH HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)

#define IIC_SCL_LOW HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define IIC_SDA_HIGH HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)

#define IIC_SDA_LOW HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)

// 读取SDA电平（需先切换为输入模式）

#define IIC_SDA_READ HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)

// 函数声明

void IIC_Init(void); // 初始化IIC引脚

void IIC_Start(void); // 发送起始信号

void IIC_Stop(void); // 发送停止信号

uint8_t IIC_SendByte(uint8_t data); // 发送一个字节，返回应答状态

uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack); // 接收一个字节，ack=1发送应答，0发送非应答

#endif

2. 核心时序实现

源文件（iic.c）：#include "iic.h"

// 延时函数（关键！需根据IIC速率调整，标准模式100KHz需约5us延时）

static void IIC_Delay(void) {

uint8_t i;

// 循环次数根据MCU主频调整（示例：STM32F1 72MHz下约5us）

for (i = 0; i < 10; i++);

}

// 初始化IIC引脚（开漏输出，初始高电平）

void IIC_Init(void) {

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 使能GPIO时钟（根据实际端口修改）

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

// 配置SCL和SDA为开漏输出

GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_PIN | IIC_SDA_PIN;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出

GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 外部上拉，内部不使能

GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);

// 初始化为高电平（空闲状态）

IIC_SCL_HIGH;

IIC_SDA_HIGH;

}

// 发送起始信号：SCL高电平时，SDA从高→低

void IIC_Start(void) {

IIC_SDA_HIGH; // 先确保SDA为高

IIC_SCL_HIGH;

IIC_Delay();

IIC_SDA_LOW; // SDA拉低，产生起始信号

IIC_Delay();

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，准备发送数据

}

// 发送停止信号：SCL高电平时，SDA从低→高

void IIC_Stop(void) {

IIC_SDA_LOW; // 先确保SDA为低

IIC_SCL_HIGH;

IIC_Delay();

IIC_SDA_HIGH; // SDA拉高，产生停止信号

IIC_Delay();

}

// 发送一个字节，返回0表示接收应答，1表示无应答

uint8_t IIC_SendByte(uint8_t data) {

uint8_t i, ack;

for (i = 0; i < 8; i++) { // 逐位发送（高位先送）

// SCL低电平时，准备数据

IIC_SCL_LOW;

IIC_Delay();

// 设置SDA电平（发送当前位）

if (data & 0x80) IIC_SDA_HIGH;

else IIC_SDA_LOW;

data <<= 1; // 移位准备下一位

IIC_Delay();

// SCL拉高，从机读取数据

IIC_SCL_HIGH;

IIC_Delay();

}

// 接收应答位（第9个时钟）

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，准备读取应答

IIC_SDA_HIGH; // 释放SDA（由从机控制）

IIC_Delay();

IIC_SCL_HIGH; // SCL拉高，读取应答

ack = IIC_SDA_READ; // 若ack=0表示从机应答，1表示非应答

IIC_Delay();

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，结束应答阶段

return ack;

}

// 接收一个字节，ack=1发送应答，0发送非应答

uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack) {

uint8_t i, data = 0;

IIC_SDA_HIGH; // 释放SDA，准备接收数据

for (i = 0; i < 8; i++) { // 逐位接收（高位先收）

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，从机准备数据

IIC_Delay();

IIC_SCL_HIGH; // SCL拉高，读取数据

data <<= 1; // 移位

if (IIC_SDA_READ) data |= 0x01; // 读取当前位

IIC_Delay();

}

// 发送应答/非应答（第9个时钟）

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，准备发送应答

if (ack) IIC_SDA_LOW; // 应答：拉低SDA

else IIC_SDA_HIGH; // 非应答：拉高SDA

IIC_Delay();

IIC_SCL_HIGH; // SCL拉高，从机读取应答

IIC_Delay();

IIC_SCL_LOW; // 拉低SCL，结束应答阶段

return data;

}

三、关键注意事项

1. 延时精度：IIC_Delay()的时长直接影响通信速率（标准模式 100KHz 需时钟周期约 10us，快速模式 400KHz 需约 2.5us），需根据实际 MCU 主频调试。

1. 引脚模式切换：若需频繁切换 SDA 为输入（如读取数据时），可在读取前将 GPIO 模式改为输入，读完后改回开漏输出（上述代码通过开漏输出 + 释放 SDA（拉高）实现输入功能，简化了模式切换）。

1. 上拉电阻：必须外接，否则总线无法维持高电平，通信会失败。

1. 应答处理：从机接收数据后需发送应答（ACK），主机接收完最后一个字节后通常发送非应答（NACK），然后发送停止信号。

四、应用示例（读取从机数据）

以读取某个 IIC 从机（地址 0xA0）的 0x00 寄存器为例：

// 读取从机数据

uint8_t IIC_ReadFromSlave(uint8_t slave_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint8_t len) {

IIC_Start();

// 发送从机写地址（bit0=0表示写）

if (IIC_SendByte(slave_addr & 0xFE)) {

IIC_Stop();

return 1; // 从机无应答

}

// 发送寄存器地址

if (IIC_SendByte(reg_addr)) {

IIC_Stop();

return 1;

}

// 重新发送起始信号，切换为读模式

IIC_Start();

// 发送从机读地址（bit0=1表示读）

if (IIC_SendByte(slave_addr | 0x01)) {

IIC_Stop();

return 1;

}

// 读取数据

for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {

// 最后一个字节发送非应答，其余发送应答

data[i] = IIC_ReadByte((i != len - 1) ? 1 : 0);

}

IIC_Stop();

return 0; // 成功

}

通过上述实现，即可在 STM32 上通过 GPIO 模拟 IIC 通信，兼容绝大多数 IIC 设备（如传感器、EEPROM 等）。

核心是保证时序的准确性，需根据实际设备的时序要求调整延时函数。