模拟i2c实现流程

首先，在理论上，先分析一下I2C具体都包含了那些内容，后面再结合实例分析一下模拟I2C实现的具体流程

第一，I2C的具体包括以下几部分内容
1、I2C协议
2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。
SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。
总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0.
系统中可能有多个同种芯片，为此addr分为固定部分和可编程部份，细节视芯片而定，看datasheet。

2、I2C位传输
发送数据位：SCL=0,SDA=0或SDA=1,SCL=1
读取数据位: SCL=0,SCL=1,读取SDA数据
注意：SCL=0时，SDA线才能改变传输的bit

3、I2C开始和结束信号
开始信号：SCL=1时，SDA由1->0，开始传送数据。
结束信号：SCL=1时，SDA由0->1，结束传送数据。

4、I2C应答信号
Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA=0。
若没有ACK，SDA=1，这会引起Master发生RESTART或STOP流程

5、I2C写流程
写寄存器的标准流程为：
1. Master发起START
2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3. Slave发送ACK
4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5. Slave发送ACK
6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7. Slave发送ACK
8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9. Master发起STOP

6、I2C读流程
读寄存器的标准流程为：
1. Master发送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2. Slave发送ACK
3. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
4. Slave发送ACK
5. Master发起START
6. Master发送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7. Slave发送ACK
8. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
9. Master发送ACK
10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

第二，下面以实际的代码分析一下

// SDA on port B, bit 14
#define SDA_LOW()  {PBout(9)=0;} 
#define SDA_OPEN() {PBout(9)=1;} 
#define SDA_READ   PBin(9)   

// SCL on port B, bit 13       
#define SCL_LOW()  {PBout(8)=0;} 
#define SCL_OPEN() {PBout(8)=1;} 
#define SCL_READ   PBin(8)    

static etError I2c_WaitWhileClockStreching(u8 timeout);

//-----------------------------------------------------------------------------
void I2c_Init(void)                     
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();


    SDA_OPEN();
    SCL_OPEN(); 

    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9; //PB13
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_OD;  //推挽输出
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;     //高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);     //初始化
}

typedef enum{
  ACK  = 0,
  NACK = 1,
}etI2cAck;

typedef enum{
  NO_ERROR       = 0x00,
  ACK_ERROR      = 0x01, 
  TIMEOUT_ERROR  = 0x02, 
}etError;

static etError Simulate_I2c_WaitWhileClockStreching(u8 timeout)
{
  etError error = NO_ERROR;

  while(SCL_READ == 0)
  {
    if(timeout-- == 0) return TIMEOUT_ERROR;
    DelayMicroSeconds(1000);//延时以us为单位
  }

  return error;
}

//-----------------------------------------------------------------------------
//开始信号：SCL为高电平时，SDA 由1->0，开始传送数据。
void Simulate_I2c_StartCondition(void)
{
  SDA_OPEN();//SDA高         SDA = 1
  DelayMicroSeconds(1);
  SCL_OPEN();//SCL高 SCL = 1
  DelayMicroSeconds(1);
  SDA_LOW();//SDA低          SDA = 0
  DelayMicroSeconds(10);   // hold time start condition (t_HD;STA)     根据datasheet的communication Timing

  SCL_LOW(); //重新把SCL拉低 恢复默认状态
  DelayMicroSeconds(10);
}

//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。
//-----------------------------------------------------------------------------
void Simulate_I2c_StopCondition(void)
{
  SCL_LOW();//先把SCL拉低
  DelayMicroSeconds(1);

  SDA_LOW();//SDA为低          SDA = 0;
  DelayMicroSeconds(1); 
  SCL_OPEN();//SCL为高 SCL = 1
  DelayMicroSeconds(10);  // set-up time stop condition (t_SU;STO)   根据datasheet的communication Timing
  SDA_OPEN();//SDA为高         SDA = 1
  DelayMicroSeconds(10);
}

//SCL为低的时候，允许SDA数据线发生变化 SCL为高的时候 进行数据写入
//-----------------------------------------------------------------------------
etError Simulate_I2c_WriteByte(u8 txByte)
{
  etError error = NO_ERROR;
  u8     mask;

  for(mask = 0x80; mask > 0; mask >>= 1)
  {
    if((mask & txByte) == 0) 
    {
        SDA_LOW(); 
    }
    else                    
    {
        SDA_OPEN();
    }

     //等待数据稳定  
    DelayMicroSeconds(1);            
    //拉高SCL  发送数据
    SCL_OPEN();                       
    //等待数据发送完成
    DelayMicroSeconds(5);                      

    //重新把SCL拉低，SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit   
    SCL_LOW();
    DelayMicroSeconds(1);           
  }

  //读取ACK
  SDA_OPEN();                      
  SCL_OPEN();                      
  //等ACK返回
  DelayMicroSeconds(1);             
/*
   Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
   即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
   若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程
*/  
//读取ACK
  if(SDA_READ) error = ACK_ERROR;       

  //恢复SCL为低
  SCL_LOW();

  DelayMicroSeconds(20);         

  return error;               
}

//SCL为低的时候，允许SDA数据线发生变化 SCL为高的时候 进行数据读取
//-----------------------------------------------------------------------------
etError Simulate_I2c_ReadByte(u8 *rxByte, etI2cAck ack, u8 timeout)
{
  etError error = NO_ERROR;
  u8 mask;
  *rxByte = 0x00;

  SDA_OPEN();                         
  //SCL_LOW();                           

  for(mask = 0x80; mask > 0; mask >>= 1) 
  { 
     //拉高SCL
    SCL_OPEN();                      

    //确定并等待SCL被拉高
    DelayMicroSeconds(1);             
    //确认SCL是否被拉高
    error = I2c_WaitWhileClockStreching(timeout);
    //等待SCL稳定为高电平
    DelayMicroSeconds(3);           

    //待SCL拉高后读取数据
    if(SDA_READ) *rxByte |= mask;       
    //重新拉低SCL，因为SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit
    SCL_LOW();
    DelayMicroSeconds(1);      //  等待下一bit的数据稳定
  }

  //如果需要发送ACK
  if(ack == ACK) 
  {
    SDA_LOW();//读取数据完成后 发送ACK给器件
  }          
  else  
  {         
    SDA_OPEN();
  }
  //把ACK发送出去
  DelayMicroSeconds(1);               
  SCL_OPEN();                           
  DelayMicroSeconds(5);           
  SCL_LOW();  
  SDA_OPEN();                       
  DelayMicroSeconds(20);               

  return error;                         
}