CH579软件I2C模拟扩展接口资源

原创于 2025-11-15 13:31:52 发布 · 968 阅读

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#CH579 #I2C模拟 #软件I2C

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CH579软件I2C模拟扩展接口资源

在物联网设备越来越“小而智能”的今天，我们常常会遇到这样一个尴尬的局面：主控芯片功能强大、蓝牙连得稳、算力也够用，可一到接几个传感器——温度、气压、RTC、OLED屏……好家伙，I²C总线直接“堵车”了！😱

尤其是像 CH579 这种集成了 RISC-V 内核和 BLE 无线通信的高性能 MCU，虽然片上外设丰富，但原生硬件 I²C 接口通常只有1~2路。当你想同时挂载 EEPROM、环境传感器、实时时钟和显示屏时，立马就捉襟见肘。

怎么办？加个I/O扩展芯片？成本上去了，PCB也复杂了。不如换个思路—— 用GPIO“手搓”一个I²C总线出来 ！

没错，这就是传说中的 软件模拟I2C（Software Bit-Banging I2C） ，一种“以时间换空间”的经典嵌入式技巧。它不需要额外硬件，只要两个普通IO口，就能让你的CH579轻松多出一条甚至多条I²C通道，简直是“穷开发者的福音”✨。

🧠 软件I2C到底是什么？

简单来说，就是不用芯片内置的I²C控制器，而是靠代码手动控制SCL（时钟）和SDA（数据）引脚的电平变化，一点一点“捏”出符合I²C协议的波形。

听起来有点“土”，但它真的很实用！

I²C本身是开漏结构，通过上拉电阻实现“线与”逻辑。所以在CH579上实现时，关键在于：
- 输出低电平 → 强制拉低（推挽输出）
- 输出高电平 → 不驱动，靠外部上拉“浮”上去（输入态 + 关闭内部上拉）

⚠️ 注意：CH579默认GPIO为推挽输出，不能直接设为高阻态或开漏，必须通过切换输入/输出模式来模拟开漏行为。

举个例子，你想让SDA变“高”，不能直接 GPIO_SetHigh() ，而应该：

GPIOB->DIR &= ~(1 << SDA_PIN); // 设为输入
GPIOB->PU  &= ~(1 << SDA_PIN); // 关闭内部弱上拉（避免干扰）

这样引脚相当于“释放”，由外部4.7kΩ上拉电阻拉高，完美复现I²C物理层特性。

⏱️ 时序怎么控？延时函数很关键！

I²C协议对时序有严格要求，比如标准模式下SCL周期至少10μs，快速模式下也要≥2.5μs。由于没有硬件定时器自动打拍子，全靠CPU轮询+延时函数来卡节奏。

在CH579运行于48MHz主频的情况下，一个简单的空循环就可以实现微秒级延时：

static void i2c_delay_us(uint32_t us) {
    volatile uint32_t n = us * 6;  // 经验值，每μs约6个循环
    while (n--);
}

当然啦，这方法依赖编译优化等级和指令执行速度，不够精确。如果你追求更高稳定性，可以用内联汇编或者SysTick定时器做更精准的延迟 💡。

不过对于大多数传感器（如BMP280、DS1307等），通信频率不高、数据量小，这种“软延时”完全够用，而且代码简洁易调试！

🔧 核心操作函数怎么写？

下面这几个基础函数，是你搭建软件I2C的“四大金刚”👇

✅ 起始信号（Start Condition）

SCL为高时，SDA从高→低跳变

void i2c_start(void) {
    set_sda(1); i2c_delay_us(2);
    set_scl(1); i2c_delay_us(2);
    set_sda(0); i2c_delay_us(2);  // SDA下降沿
    set_scl(0); i2c_delay_us(2);  // 拉低SCL准备发送数据
}

✅ 停止信号（Stop Condition）

SCL为高时，SDA从低→高跳变

void i2c_stop(void) {
    set_sda(0); i2c_delay_us(2);
    set_scl(1); i2c_delay_us(2);  // 先释放SCL
    set_sda(1); i2c_delay_us(2);  // SDA上升沿
}

✅ 发送一个字节 + 读ACK

每次发完8位后，主机要释放SDA，读取从机是否回应ACK（拉低表示确认）

uint8_t i2c_write_byte(uint8_t byte) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        set_scl(0); i2c_delay_us(1);
        (byte & 0x80) ? set_sda(1) : set_sda(0);
        i2c_delay_us(1);
        set_scl(1); i2c_delay_us(2);  // 上升沿采样
        set_scl(0);
        byte <<= 1;
    }

    // 读ACK
    set_sda(1); i2c_delay_us(1);      // 主机释放SDA
    set_scl(1); i2c_delay_us(2);
    uint8_t ack = (GPIOB->PIN & (1 << SDA_PIN)) ? 1 : 0;  // 0=收到ACK
    set_scl(0);
    return ack;
}

✅ 读取一个字节（支持NACK结尾）

接收完最后一个字节时，主机应返回NACK以通知结束

uint8_t i2c_read_byte(uint8_t nack) {
    uint8_t byte = 0;
    set_sda(1);  // 释放总线，允许从机驱动

    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        i2c_delay_us(1);
        set_scl(1); i2c_delay_us(1);
        byte = (byte << 1) | ((GPIOB->PIN >> SDA_PIN) & 0x01);
        set_scl(0);
    }

    // 发送ACK/NACK
    set_scl(0); i2c_delay_us(1);
    nack ? set_sda(1) : set_sda(0);
    i2c_delay_us(1);
    set_scl(1); i2c_delay_us(2);  // 完成应答
    set_scl(0);
    set_sda(1);  // 再次释放SDA
    return byte;
}

这些函数组合起来，就可以实现任意I²C设备的读写操作啦！

🛠️ 实战案例：读取AT24C02 EEPROM

假设你要从地址 0x50 的EEPROM中读取某个寄存器的数据，典型的“随机读”流程如下：

uint8_t eeprom_read_byte(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr) {
    i2c_start();
    i2c_write_byte(dev_addr << 1);           // 写命令
    i2c_write_byte(reg_addr);                // 指定地址
    i2c_start();                             // 重复起始条件
    i2c_write_byte((dev_addr << 1) | 1);     // 读命令
    uint8_t data = i2c_read_byte(1);         // 最后一次读取发NACK
    i2c_stop();
    return data;
}

整个过程清晰明了，逻辑严密，配合逻辑分析仪一看，波形标准得很！🎯

🔄 和硬件I2C比，到底值不值得用？

对比项	软件I2C	硬件I2C
引脚自由度	✅ 任意GPIO都行	❌ 固定引脚
CPU占用	⚠️ 占用较多，阻塞式	✅ DMA/中断处理，几乎不打扰CPU
最高速率	~200kbps（实际建议≤100kbps）	支持400kbps以上
多任务影响	⚠️ 长时间占用可能导致调度延迟	✅ 异步非阻塞
开发难度	✅ 几十个函数搞定，适合新手	❌ 寄存器配置繁琐，需懂中断机制
扩展能力	✅ 可并行开多组模拟总线	❌ 一般最多2路

📌 所以结论很明确：

如果你接的是低速、偶尔访问的传感器（比如温湿度、RTC、配置存储），那软件I2C香爆了！
但如果要跑高速设备（如音频Codec、高速ADC），还是老老实用硬件I2C吧～

🏗️ 典型系统架构设计

来看一个真实场景：基于CH579的智能家居节点，需要连接四个I²C设备：

                     +------------+
                     |            |
         Hardware I2C|---> BMP280  | ← 气压/温度传感器
         (PB2/SCL, PB3/SDA)       |
                     |            |
                     +------------+

                     +------------+
                     |            |
 Software I2C (PB0/1)|---> AT24C02 | ← 存配置
                     |---> DS1307  | ← 实时时钟
                     |---> SSD1306 | ← OLED显示
                     +------------+

👉 把高频使用的传感器放在硬件I2C上保证响应速度；其余低频设备统统扔进软件I2C，既节省资源又不影响性能，美滋滋～ 😎