使用GPIO模拟I2C总线进行通信

时间:2021-06-06 17:52:49

I2C总线的通信过程(见图4-8)主要包含三个主要阶段:起始阶段、数据传输阶段和终止阶段。

使用GPIO模拟I2C总线进行通信

1. 起始阶段

在I2C总线不工作的情况下,SDA(数据线)和SCL(时钟线)上的信号均为高电平。如果此时主机需要发起新的通信请求,那么需要首先通过SDA和SCL发出起始标志。当SCL为高电平时,SDA电平从高变低,这一变化表示完成了通信的起始条件。

在起始条件和数据通信之间,通常会有延时要求,具体的指标会在设备厂商的规格说明书中给出。

2. 数据传输阶段

I2C总线的数据通信是以字节(8位)作为基本单位在SDA上进行串行传输的。一个字节的传输需要9个时钟周期。其中,字节中每一位的传输都需要一个时钟周期,当新的SCL到来时,SCL为低电平,此时数据发送方根据当前传输的数据位控制SDA的电平信号。如果传输的数据位为"1",就将SDA电平拉高;如果传输的数据位为"0",就将SDA的电平拉低。当SDA上的数据准备好之后,SCL由低变高,此时数据接收方将会在下一次SCL信号变低之前完成数据的接收。当8位数据发送完成后,数据接收方需要一个时钟周期以使用SDA发送ACK信号,表明数据是否接收成功。当ACK信号为"0"时,说明接收成功;为"1"时,说明接收失败。每个字节的传输都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。

I2C总线协议中规定,数据通信的第一个字节必须由主机发出,内容为此次通信的目标设备地址和数据通信的方向(读/写)。在这个字节中,第1~7位为目标设备地址,第0位为通信方向,当第0位为"1"时表示读,即后续的数据由目标设备发出主机进行接收;当第0位为"0"时表示写,即后续的数据由主机发出目标设备进行接收。在数据通信过程中,总是由数据接收方发出ACK信号。

3. 终止阶段

当主机完成数据通信,并终止本次传输时会发出终止信号。当SCL 是高电平时,SDA电平由低变高,这个变化意味着传输终止。

下面给出了模拟I2C总线进行读写的伪代码,用以说明如何使用GPIO实现I2C通信:


#define SDA 254                         //定义SDA所对应的GPIO接口编号  

#define SCL 255                         //定义SCL所对应的GPIO接口编号  
#define OUTP 1                          //表示GPIO接口方向为输出  
#define INP 0                           //表示GPIO接口方向为输入  
/* I2C起始条件 */  
int i2c_start()  
{  
//初始化GPIO口  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
set_gpio_direction (SCL, OUTP);         //设置SCL方向为输出  
         set_gpio_value(SDA, 1);                //设置SDA为高电平  
set_gpio_value(SCL, 1);                 //设置SCL为高电平  
delay();                            //延时  
//起始条件  
set_gpio_value(SDA, 0);                 //SCL为高电平时,SDA由高变低  
delay();  
}  
/* I2C终止条件 */  
void i2c_stop()  
{  
set_gpio_value(SCL, 1);  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);  
set_gpio_value(SDA, 0);  
delay();  
set_gpio_value(SDA, 1);             //SCL高电平时,SDA由低变高  
}  
/*   
I2C读取ACK信号(写数据时使用)  
返回值 :0表示ACK信号有效;非0表示ACK信号无效  
*/  
unsigned char i2c_read_ack()  
{  
unsigned char r;  
set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入  
set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低  
r = get_gpio_value(SDA);                //读取ACK信号  
delay();  
set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高  
delay();  
return r;  
}  
/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */  
int i2c_send_ack()  
{  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低  
set_gpio_value(SDA, 0);             //发出ACK信号  
delay();  
set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高  
delay();  
}  
/* I2C字节写 */  
void i2c_write_byte(unsigned char b)  
{  
int i;  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
for (i=7; i>=0; i--) {  
set_gpio_value(SCL, 0);             // SCL变低  
delay();  
set_gpio_value(SDA, b & (1<<i));        //从高位到低位依次准备数据进行发送  
set_gpio_value(SCL, 1);             // SCL变高  
delay();  
}  
i2c_read_ack();                 //检查目标设备的ACK信号  
}  
/* I2C字节读 */  
unsigned char i2c_read_byte()  
{  
int i;  
unsigned char r = 0;  
set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入  
for (i=7; i>=0; i--) {  
set_gpio_value(SCL, 0);         // SCL变低  
delay();  
r = (r <<1) | get_gpio_value(SDA);      //从高位到低位依次准备数据进行读取  
set_gpio_value(SCL, 1);         // SCL变高  
delay();  
}  
i2c_send_ack();                 //向目标设备发送ACK信号  
return r;  
}  
/*  
I2C读操作  
addr:目标设备地址  
buf:读缓冲区  
len:读入字节的长度  
*/  
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)  
{  
int i;  
unsigned char t;  
i2c_start();                        //起始条件,开始数据通信  
//发送地址和数据读写方向  
t = (addr << 1) | 1;                    //低位为1,表示读数据  
i2c_write_byte(t);  
//读入数据  
for (i=0; i<len; i++)  
buf[i] = i2c_read_byte();  
i2c_stop();                     //终止条件,结束数据通信  
}  
/*  
I2C写操作  
addr:目标设备地址  
buf:写缓冲区  
len:写入字节的长度  
*/  
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)  
{  
int i;  
unsigned char t;  
i2c_start();                        //起始条件,开始数据通信  
//发送地址和数据读写方向  
t = (addr << 1) | 0;                    //低位为0,表示写数据  
i2c_write_byte(t);  
//写入数据  
for (i=0; i<len; i++)  
i2c_write_byte(buf[i]);  
i2c_stop();                     //终止条件,结束数据通信  
}