【STM32F4系列】【HAL库】【自制库】模拟IIC主机

news2024/9/26 5:20:35

介绍

本项目是利用GPIO模拟I2C的主机

网上常见的是模拟I2C主机

本项目是作为一个两个单片机之间低速通信的用法

协议介绍请看,传送门

模拟从机请看这里

主机

功能描述

  • I2C按字节(Byte)读写
  • I2C读写寄存器
  • I2C连续读写

编程思路解析

主机是时钟信号的发起方,起始和中止信号均来自主机

I2C的主机编程相对简单

我们只需要按照协议发送信号即可,具体在实现各个功能时细说

HAL初始化

I2C主机需要使用2个开漏上拉输出的GPIO

分别是SDA 和 SCL

我们对其操作时序,模拟出I2C协议即可

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oznuyZH2-1672321697833)(图片/1.png)]

程序设计

GPIO控制

将HAL库的GPIO控制的函数做了一个封装,用于改变GPIO时的快速使用

#define I2C_SCL_GPIOx GPIOA
#define I2C_SCL_Pin GPIO_PIN_0
#define I2C_SDA_GPIOx GPIOA
#define I2C_SDA_Pin GPIO_PIN_1
/**
 * @brief 一段延迟
 * @param 无
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 08:53:30
 */
void I2C_Delay(void)
{
	int z = 0xff;
	while (z--)
		;
}
/**
 * @brief 写SDA
 * @param H_L:高低电平
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-10-21 18:07:18
 */
void I2C_Write_SDA(GPIO_PinState H_L)
{
	HAL_GPIO_WritePin(I2C_SDA_GPIOx, I2C_SDA_Pin, H_L);
}
/**
 * @brief 写SCL
 * @param H_L:高低电平
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-10-21 18:07:40
 */
void I2C_Write_SCL(GPIO_PinState H_L)
{
	HAL_GPIO_WritePin(I2C_SCL_GPIOx, I2C_SCL_Pin, H_L);
}
/**
 * @brief 读取SDA
 * @param 无
 * @return SDA的状态
 * @author HZ12138
 * @date 2022-10-21 18:07:56
 */
uint16_t I2C_Read_SDA(void)
{
	return HAL_GPIO_ReadPin(I2C_SDA_GPIOx, I2C_SDA_Pin);
}
/**
 * @brief 读取SCL
 * @param 无
 * @return SDA的状态
 * @author HZ12138
 * @date 2022-10-21 18:07:56
 */
uint16_t I2C_Read_SCL(void)
{
	return HAL_GPIO_ReadPin(I2C_SCL_GPIOx, I2C_SCL_Pin);
}

启动中止信号

I2C的启动中止信号是在SCL高电平时,SDA发生跳变

这样只需要先拉高SCL,再改变SDA即可

必要的地方加入了延迟,避免过高的速度出现问题

/**
 * @brief 产生I2C起始信号
 * @param 无
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 08:54:48
 */
void I2C_Start(void)
{
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET);   // 需在SCL之前设定
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET);   // SCL->高
	I2C_Delay();				   // 延时
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_RESET); // SDA由1->0,产生开始信号
	I2C_Delay();				   // 延时
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_RESET); // SCL->低
}
/**
 * @brief 产生I2C结束信号
 * @param 无
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 08:57:03
 */
void I2C_End(void)
{
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_RESET); // 在SCL之前拉低
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET);   // SCL->高
	I2C_Delay();				   // 延时
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET);   // SDA由0->1,产生结束信号
	I2C_Delay();				   // 延时
}

应答信号

对于主机来说,有两种应答,

一个是自己发送应答信号,主机控制SDA和SCL

另一个是接收从机的应答信号,主机控制SCL,从机控制SDA

这边分成了2个控制函数

注意:ACK信号在很多设备中会被省略,这边主机只保证有第9个周期即可,不用过多关注应答

/**
 * @brief 发送应答码
 * @param ack:0 应答 1 不应达
 * @return 无
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 09:03:38
 */
void I2C_Send_ACK(uint8_t ack)
{
	if (ack == 1)
		I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET); // 产生应答电平
	else
		I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_RESET);
	I2C_Delay();
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET);   // 发送应答信号
	I2C_Delay();				   // 延时至少4us
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_RESET); // 整个期间保持应答信号
}
/**
 * @brief 接受应答码
 * @param 无
 * @return 应答码 0 应答 1 不应达
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 09:04:28
 */
uint8_t I2C_Get_ACK(void)
{
	uint8_t ret;				 // 用来接收返回值
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET); // 电阻上拉,进入读
	I2C_Delay();
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET); // 进入应答检测
	I2C_Delay();				 // 至少延时4us
	ret = I2C_Read_SDA();		 // 保存应答信号
	I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_RESET);
	return ret;
}

写一个字节

控制SDA向外部发送1Byte数据

从高位到低位发送,SDA的电平改变需要在SCL低电平时

发送8个bit后,第9个周期需要读取ASK信号

所以编程思路如下:

搞一个循环,从0到7做计数,每次发送数据的最高位,并将数据向右移动一位,同时在SDA改变后发送一个SCL周期

在发送完成后,读取ASK信号并保存下来

/**
 * @brief I2C写1Byte
 * @param dat:1Byte数据
 * @return 应答结果 0 应答 1 不应达
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 09:05:14
 */
uint8_t I2C_SendByte(uint8_t dat)
{
	uint8_t ack;
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		// 高在前低在后
		if (dat & 0x80)
			I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET);
		else
			I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_RESET);
		I2C_Delay();
		I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET);
		I2C_Delay(); // 延时至少4us
		I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_RESET);
		dat <<= 1; // 低位向高位移动
	}

	ack = I2C_Get_ACK();

	return ack;
}

读一个字节

控制SDA向外部发送1Byte数据

从高位到低位读取,SCL高电平时,读取SDA

发送8个bit后,第9个周期需要发送ASK信号

和写一样,同样搞一个循环

在SCL高电平时读取SDA即可

在读取完1Byte后,向外发送ASK信号

/**
 * @brief I2C读取1Byte数据
 * @param ack:应答 0 应答 1 不应达
 * @return 接受到的数据
 * @author HZ12138
 * @date 2022-07-27 09:06:13
 */
uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t ack)
{
	uint8_t ret = 0;
	I2C_Write_SDA(GPIO_PIN_SET);
	for (int i = 0; i < 8; i++)
	{
		ret <<= 1;
		I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_SET);
		I2C_Delay();
		// 高在前低在后
		if (I2C_Read_SDA())
		{
			ret++;
		}
		I2C_Write_SCL(GPIO_PIN_RESET);
		I2C_Delay();
	}

	I2C_Send_ACK(ack);

	return ret;
}

连续写

用于写大量数据给从机

流程:

  1. 发送起始信号
  2. 发送器件地址(最低位是0)
  3. 发送寄存器地址
  4. 将缓冲区数据按顺序发送出去
  5. 发送结束信号
/**
 * @brief I2C连续写
 * @param addr:器件地址
 * @param reg:寄存器地址
 * @param len:长度
 * @param buf:缓冲区地址
 * @return 状态 0成功 其他失败
 * @author HZ12138
 * @date 2022-08-08 15:47:11
 */
uint8_t I2C_Write_Len(uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t *buf)
{
	uint8_t i;
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 0); // 发送器件地址+写命令
	I2C_SendByte(reg);			   // 写寄存器地址
	for (i = 0; i < len; i++)
	{
		I2C_SendByte(buf[i]); // 发送数据
	}
	I2C_End();
	return 0;
}

连续读

用于从从机读取大量数据

流程:

  1. 发送起始信号
  2. 发送器件地址(最低为为0)
  3. 发送寄存器地址
  4. 发送起始信号
  5. 发送器件地址(最低为为1)
  6. 按顺序读取数据写入缓冲区
  7. 发送结束信号
/**
 * @brief I2C连续读
 * @param addr:器件地址
 * @param reg:寄存器地址
 * @param len:长度
 * @param buf:缓冲区地址
 * @return 状态 0成功 其他失败
 * @author HZ12138
 * @date 2022-08-08 15:47:11
 */
uint8_t I2C_Read_Len(uint8_t reg, uint8_t len, uint8_t *buf)
{
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 0); // 发送器件地址+写命令
	I2C_SendByte(reg);			   // 写寄存器地址
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 1); // 发送器件地址+读命令
	while (len)
	{
		if (len == 1)
			*buf = I2C_ReadByte(1); // 读数据,发送nACK
		else
			*buf = I2C_ReadByte(0); // 读数据,发送ACK
		len--;
		buf++;
	}
	I2C_End(); // 产生一个停止条件
	return 0;
}

写寄存器

写寄存器的一个字节

流程:

  1. 发送起始信号
  2. 发送器件地址(最低位是0)
  3. 发送寄存器地址
  4. 将缓冲区数据发送出去
  5. 发送结束信号
/**
 * @brief I2C写一个字节
 * @param reg:寄存器地址
 * @param data:数据
 * @return 状态 0成功 其他失败
 * @author HZ12138
 * @date 2022-08-08 15:47:11
 */
uint8_t I2C_Write_Reg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 0); // 发送器件地址+写命令
	I2C_SendByte(reg);			   // 写寄存器地址
	I2C_SendByte(data);			   // 发送数据
	I2C_End();
	return 0;
}

读寄存器

读取寄存器的一个字节

流程:

  1. 发送起始信号
  2. 发送器件地址(最低为为0)
  3. 发送寄存器地址
  4. 发送起始信号
  5. 发送器件地址(最低为为1)
  6. 读取数据写入缓冲区
  7. 发送结束信号
/**
 * @brief I2C读一个字节
 * @param reg:寄存器地址
 * @return 读取到的数据
 * @author HZ12138
 * @date 2022-08-08 15:47:11
 */
uint8_t I2C_Read_Reg(uint8_t reg)
{
	uint8_t res;
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 0); // 发送器件地址+写命令
	I2C_SendByte(reg);			   // 写寄存器地址
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(I2C_Address | 1); // 发送器件地址+读命令
	res = I2C_ReadByte(1);		   // 读取数据,发送nACK
	I2C_End();					   // 产生一个停止条件
	return res;
}

成品

GitHub

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