IIC概述與軟件模擬IIC

1 IIC總線概述

1.1 基本概念

內部集成電路（Inter Integrated circuit ）的簡稱叫做IIC，是一種簡單的、半雙工同步通信的串行通信接口，IIC總線是上世紀80年代（1982年）由飛利浦公司設計出來，當時的目的是為了給MCU和外圍芯片提供更簡單的交互方式。

1.2 引腳說明

IIC總線只需要兩根引腳就可以實現通信，一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL，所有通過IIC接口通信的外圍器件都掛載在IIC總線上，通過這種機制就可以實現多機通信。

可以看到，外圍器件的時鐘線和數據線都是掛載在IIC總線（由主控芯片提供），并且在空閑狀態下所有器件的時鐘線SCL和數據線SDA都被總線的上拉電阻拉高，這樣就可以把SDA引腳和SCL引腳設置為開漏模式即可，好處是防止短路。

每個掛載在IIC總線上的外圍器件都有獨立的器件地址，主機發送開始信號后，只需要發送想要通信的設備的地址，如果設備收到地址并且匹配正確，則開始進行單獨通信。

1.3 通信速率

IIC總線支持不同的通信速率，但是一般常用的標準速率100KHZ，但是有的外圍器件可以支持高達400KHZ的通信速率，而由于IIC總線是半雙工通信，所以同一時刻只能接收或者發送，也就是說，IIC總線一般是為了控制，不適合作為大量數據傳輸的接口。

1.4 通信過程

接口可以下述4種模式中的一種運行：

• 從發送器模式
• 從接收器模式
• 主發送器模式
• 主接收器模式

默認狀態下工作于從模式 。 接口在生成起始條件后自動地從從模式切換到主模式 （誰先發送開始信號，誰就作為主機）。當仲裁丟失或產生停止信號時，則從主模式切換到從模式，從而實現多主模式功能。

通信流

• 主模式時，I2C接口啟動數據傳輸并產生時鐘信號。串行數據傳輸總是以起始條件開始并以停止條件結束。起始條件和停止條件都是在主模式下由軟件控制產生。
• 從模式時，I2C接口能識別它自己的地址(7位或10位)和廣播呼叫地址。軟件能夠控制開啟或禁止廣播呼叫地址的識別。
• 數據和地址按8位/字節進行傳輸，高位在前。跟在起始條件后的1或2個字節是地址(7位模式為1個字節，10位模式為2個字節)。地址只在主模式發送。
• 在一個字節傳輸的8個時鐘后的第9個時鐘期間，接收器必須回送一個應答位(ACK)給發送器。參考下圖。

可以看到，在建立通信的時候主機需要發送 開始信號 ，緊接著主機需要發出從器件的 設備地址 （7bit+1bit），從設備的物理地址是7bit，但是由于只有一根數據線，就需要說清楚數據的傳輸方向，數據的傳輸方向通過從設備的地址最低位進行表示（最低位是0，表示寫操作，最低位是1，表示讀操作），IIC總線提供了 應答機制 ，也就是說從機收到了1個字節的數據之后，會在第九個脈沖發送給主機一個應答信號(1bit)，如果主機收到從機的應答信號，則主機可以繼續發送數據，反之，如果主機沒有收到從機發送的應答信號，那主機就不應該繼續發送數據，而是應該主動發出一個 停止信號 ，表示停止通信。

2 軟件模擬IIC的實現

2.1 IIC初始化

// ---------- software_iic.h ----------
#ifndef __SOFTWARE_IIC_H__
#define __SOFTWARE_IIC_H__

#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"

#define DLY_TIM_Handle (&htim1)


// SCL: PB10, SDA: PB11
#define IIC_SCL_PORT GPIOB
#define IIC_SCL_PIN  GPIO_PIN_10
#define IIC_SDA_PORT GPIOB
#define IIC_SDA_PIN  GPIO_PIN_11

#define IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

#define IIC_SCL_WRITE_UP()    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define IIC_SCL_WRITE_DOWN()  HAL_GPIO_WritePin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define IIC_SDA_WRITE_UP()    HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define IIC_SDA_WRITE_DOWN()  HAL_GPIO_WritePin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define IIC_SDA_READ()        HAL_GPIO_ReadPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN)

void delay_us(uint16_t nus);

void IIC_Init(void);
void IIC_SDA_OutputMode(void);
void IIC_SDA_InputMode(void);
void IIC_StartSignal(void);
void IIC_StopSignal(void);
void IIC_SendBytes(uint8_t data);
uint8_t IIC_ReadBytes(void);
uint8_t IIC_WaitACK(void);
void IIC_MasterACK(uint8_t ack);

#endif

// ---------- software_iic.c ----------
void IIC_Init(void)
{
  // 初始化SCL和SDA為開漏輸出
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();
  IIC_SCL_GPIO_CLK_ENABLE(); 

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SCL_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);

  // 初始化SCL和SDA為高電平
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  IIC_SDA_WRITE_UP();
}

2.2 IIC模式

// SDA輸出模式
void IIC_SDA_OutputMode(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

// SDA輸入模式
void IIC_SDA_InputMode(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  IIC_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();

  GPIO_InitStruct.Pin = IIC_SDA_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

  HAL_GPIO_Init(IIC_SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2.3 開始信號

開始信號由主機發出，表示打算和所有的從器件進行通信，IIC總線規定在SCL時鐘線保持高電平期間，把SDA數據線拉低，表示開始信號。

// IIC開始信號
void IIC_StartSignal(void)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 設置SDA為輸出模式

  // 確保SCL和SDA都是高電平 
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  IIC_SDA_WRITE_UP();

  // 拉低SDA，產生一個下降沿
  // 一般常用的IIC總線標準速率為100kHz，即每個時鐘周期為10us，故SDA低電平應持續5us
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();  // SDA拉低
  delay_us(6);           // 為了保證兼容性，這里延時6us

  // 拉低SCL，表示準備通信
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();  // SCL拉低
}

如何實現微秒級的延時可以參考下文

STM32基于HAL庫實現微秒延時

2.4 停止信號

停止信號由主機發出，表示不打算和從器件繼續通信，IIC總線規定在SCL時鐘線保持高電平期間，把SDA數據線拉高，表示停止信號。

// IIC停止信號
void IIC_StopSignal(void)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 設置SDA為輸出模式

  // 確保SCL和SDA都是低電平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  // 拉高SCL，產生一個上升沿
  // 一般常用的IIC總線標準速率為100kHz，即每個時鐘周期為10us，故SCL高電平應持續5us
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  delay_us(5);
  
  IIC_SDA_WRITE_UP(); // 拉高SDA，表示通信結束
  delay_us(5);        // 確保SDA的電平可以被其他器件檢測到
}

2.5 數據發送

在主機發送開始信號后，就可以發送數據或者地址，IIC總線規定數據的收發都是 MSB （高位先出），由于只有一個數據線，所以IIC采用串行方式把數據的每個bit位發出去。

由于SCL提供的脈沖周期是有規律的，所以IIC總線規定只能在SCL脈沖周期的高電平期間進行數據的讀取或者寫入，在SCL脈沖周期的低電平期間可以進行數據的修改。

// 主機發送數據
void IIC_SendBytes(uint8_t Data)
{
  uint8_t i = 0;

  IIC_SDA_OutputMode();  // 設置SDA為輸出模式
      
  // 確保SCL和SDA都是低電平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  // 開始發送8位數據
  for (i = 0; i < 8; i++)
  {
    // SCL低電平期間主機準備數據
    if (Data & (1 < < (7 - i))) // 判斷數據的第7-i位是否為1
    {
      IIC_SDA_WRITE_UP();  // 如果為1，SDA拉高
    }
    else
    {
      IIC_SDA_WRITE_DOWN();// 如果為0，SDA拉低
    }
    delay_us(5); // 至此，數據準備完畢

    // 拉高SCL，主機發送數據
    IIC_SCL_WRITE_UP();    
    delay_us(5); // 至此，數據發送完畢

    // 拉低SCL，準備發送下一個數據
    IIC_SCL_WRITE_DOWN();
    delay_us(5);
  }
}

2.6 數據接收

在主機發送開始信號后，就可以發送數據或者地址，IIC總線規定數據的收發都是MSB（高位先出），由于只有一個數據線，所以IIC采用串行方式把數據的每個bit位發出去。

由于SCL提供的脈沖周期是有規律的，所以IIC總線規定只能在SCL脈沖周期的高電平期間進行數據的讀取或者寫入，在SCL脈沖周期的低電平期間可以進行數據的修改。

// 主機接收數據
uint8_t IIC_ReadBytes(void)
{
  uint8_t i = 0;
  uint8_t Data = 0; // 用于存儲接收到的數據

  IIC_SDA_InputMode();  // 設置SDA為輸入模式

  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 確保SCL為低電平

  // 開始接收8位數據
  for (i = 0; i < 8; i++)
  {
    // 拉高SCL，主機準備接收數據
    IIC_SCL_WRITE_UP();
    delay_us(5);  // 至此，從機數據準備完畢，主機開始接收

    if (IIC_SDA_READ() == 1)   // 主機收到1
    {
      Data |= (1 < < (7 - i));  // 將收到的1存儲到Data的第7-i位
    }

    /* 由于Data初始化為0000 0000，所以不需要else語句
    else // 收到0
    {
      Data &= ~(1 < < (7 - i)); // 將收到的0存儲到Data的第7-i位
    }
    */
    
    // 拉低SCL，主機準備接收下一個數據
    IIC_SCL_WRITE_DOWN();
    delay_us(5);
  }
  return Data;  // 返回接收到的數據
}

2.7 應答信號

IIC總線增加了應答機制，在主機發送一個字節數據之后，從機在第9個脈沖周期進行應答，如果SDA為0，則表示應答，如果SDA=1，則表示無應答，如果從機沒有應答，則主機應該發送停止信號，表示停止通信。這里分為兩種情況:

第一種：主機發送數據，從機進行應答

// 主機發送數據，從機進行應答
uint8_t IIC_WaitACK(void)
{
  uint8_t ack;
  IIC_SDA_InputMode();  // 設置SDA為輸入模式

  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 確保SCL是低電平
  delay_us(5); 

  IIC_SCL_WRITE_UP();  // 拉高SCL，主機準備接收從機的應答信號
  delay_us(5);         // 至此，從機應答信號準備完畢，主機開始接收

  // 如果從機應答信號為0，表示從機接收到數據
  if (IIC_SDA_READ() == 0)
  {
    ack = 0;
  }
  else // 如果從機應答信號為1，表示從機沒有接收到數據
  {
    ack = 1;
  }
  
  IIC_SCL_WRITE_DOWN(); // 拉低SCL，主機忽略數據
  delay_us(5);

  return ack;  // 返回從機的應答信號
}

第二種：從機發送數據，主機進行應答

// 從機發送數據，主機進行應答，0表示應答，1表示不應答
void IIC_MasterACK(uint8_t ack)
{
  IIC_SDA_OutputMode();  // 設置SDA為輸出模式

  // 確保SCL和SDA都是低電平
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  IIC_SDA_WRITE_DOWN();

  if (ack == 0) // 如果ack為0，表示主機應答
  {
    IIC_SDA_WRITE_DOWN(); // SDA拉低
  }
  else // 如果ack為1，表示主機不應答
  {
    IIC_SDA_WRITE_UP();   // SDA拉高
  }
  delay_us(5);  //  至此，應答信號準備完畢

  // 拉高SCL，主機發出應答信號
  IIC_SCL_WRITE_UP();
  delay_us(5);  // 至此，應答信號發送完畢

  // 拉低SCL，從機忽略數據
  IIC_SCL_WRITE_DOWN();
  delay_us(5);
}