STM32软件模拟I2C从机的实现方法

2023-07-15 06:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

1.1 前言

在使用I2C通信时，一般会用到软件模拟I2C。目前网络上能搜索到的软件模拟I2C一般都是模拟I2C主机，很少有模拟I2C从机的例程。由于I2C主机在进行数据收发时，有明确的可预见性，也就是主机明确知道什么时候要进行数据的收发操作，而且I2C的同步时钟信号也是由主机产生的，所以实现起来相对来说比较简单。而I2C从机的通信受制于主机，即什么时候需要进行数据的收发都是由主机发起的，数据收发的发起时机具有随机性。由于实际使用时，MCU的固件还会执行其他的操作，所以如果单纯使用软件查询的方法来判断I2C通信的起始信号不太现实。这里提供一种软件模拟I2C从机的实现方法，考虑使用GPIO中断的方法来及时接收I2C通信的起始信号，并进行数据的收发。

1.2 测试平台

这里使用的开发环境和相关硬件如下。

操作系统：Ubuntu 20.04.2 LTS x86_64（使用uname -a命令查看）集成开发环境（IDE）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，Version: 2021-06 (4.20.0)编译器：arm-none-eabi-gcc (GNU Arm Embedded Toolchain 10-2020-q4-major) 10.2.1 20201103 (release)硬件开发板：STM32F429I-DISCO本文对应的例程代码链接如下。

STM32软件模拟I2C从机的例程代码-单片机文档类资源-CSDN下载

1.3 软件模拟I2C从机实现方法

这里结合开发板STM32F429I-DISCO上的STM32F429ZI的单片机来演示软件模拟I2C从机的实现方法。

I2C通信的时序图如下图1所示。

图1 I2C通信时序图

I2C通信的时序中关键的几个点如下。

START和ReSTART信号：用于标识I2C通信的开始，时序特点是SCL为高电平的时候，SDA从高电平变成低电平。STOP信号：用于标识I2C通信的结束，时序特点是SCL为高电平的时候，SDA从低电平变成高电平。应答信号：I2C通信每传输完8个比特的数据位后，紧接着需要传输应答标志位，当该位为0时，是ACK应答信号，该位为1时，是NACK无应答信号。应答信号在SCL的第9个时钟周期的位置。数据采集时刻：I2C通信的数据在SCL的上升沿进行采集确认，所以在SCL的高电平期间，数据必须保持不变，防止数据采集出错。当然，START信号和STOP信号的时序在SCL高电平期间是特殊情况，具有专门的含义。数据更新时刻：I2C通信的数据更新需要在SCL为低电平的时候进行。

由于各个关键点基本都发生在SCL或SDA的上升沿或者下降沿的地方，所以可以将用于模拟I2C通信引脚的GPIO口配置成边沿中断，这样就可以通过中断实时抓取边沿信号，并在中断中进行及时的数据处理。使用GPIO的边沿中断来模拟I2C从机的好处是可以实时获取到START和STOP信号，I2C主机发过来的数据可以通过中断得到及时处理，而且程序主流程无需关心模拟I2C从机的相关处理，可以处理其他事务。

因为是I2C从机，所以SCL引脚直接固定成输入引脚即可，而SDA信号由于是双向的，所以需要根据I2C通信中的各个状态来设置输入或输出方向。另外，由于GPIO中断只在GPIO配置成输入时才会产生，所以默认情况下，SDA必须设置成输入引脚。

程序的具体设计思路如下。

将SCL和SDA引脚设置成GPIO的边沿中断模式，默认为输入引脚。I2C通信状态机设置成默认的IDLE状态。SCL的中断用于处理数据的收发，SDA的中断只用于START/ReSTART/STOP这些特殊信号的判断。SDA引脚中断处理思路：发生下降沿中断，并且SCL为高电平，则收到START信号，状态机更新成START状态；发生上升沿中断，并且SCL为高电平，则收到STOP信号，紧接着I2C通信就应该处于空闲状态，所以这里直接将状态机设置成IDLE状态。SCL引脚中断处理思路：

A. 发生下降沿中断时

A1. 如果状态机为START状态，则I2C通信正式开始，准备开始接收设备地址，状态机更新成DATA状态。

A2. 如果状态机为DATA状态，SCL下降沿计数小于8时，如果是主机读取数据，则更新SDA的位数据输出。SCL下降沿计数等于8时，进入应答阶段，状态机更新成ACK状态；如果是主机写入数据，并且是设备地址数据，则判断设备地址是否匹配，如果设备地址匹配，则将SDA设置成输出，并输出ACK信号，否则如果地址不匹配，则SDA保持为输入状态，不输出ACK信号；如果是主机读取数据，将SDA设置成输入，准备接收主机的应答信号。

A3. 如果状态机为ACK状态，这时应答信号已经传输完毕，状态机更新成DATA状态，准备继续接收或发送数据。如果是主机写入数据，将SDA设置成输入，继续接收后续数据；如果是主机读取数据，将SDA设置成输出，继续发送后续数据。

A4. 如果状态机为NACK状态，说明紧接着I2C通信将停止或重新启动，准备接收STOP或者ReSTART信号，所以需要将SDA设置成输入。此时状态机状态保持不变。

B. 发生上升沿中断时

B1. 如果状态机为DATA状态，I2C通信处于数据阶段，如果是主机写入数据，则采集主机通过SDA发送过来的位数据。

B2. 如果状态机为ACK状态，I2C通信处于应答阶段，如果是主机读取数据，则采集主机的应答信号，如果主机应答信号为1，说明主机发送了NACK的应答，状态机需要更新成NACK状态，准备接收停止或重新启动信号。

1.4 软件模拟I2C从机的代码实现

根据上面的程序思路，可以开始进行程序代码的设计，步骤如下。

1）设计I2C从机通信对应的结构体，I2C通信状态定义，I2C通信相关的宏定义的声明。对应的头文件代码如下。

#ifndef __SW_SLAVE_I2C_H_ #define __SW_SLAVE_I2C_H_ #ifdef __cplusplus extern "C" { #endif #include "stm32f4xx_hal.h" #define SW_SLAVE_ADDR 0xA2 #define SW_SLAVE_SCL_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() #define SW_SLAVE_SDA_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() #define SW_SLAVE_SCL_PRT GPIOB #define SW_SLAVE_SCL_PIN GPIO_PIN_6 #define SW_SLAVE_SDA_PRT GPIOB #define SW_SLAVE_SDA_PIN GPIO_PIN_7 #define GPIO_MODE_MSK 0x00000003U #define I2C_STA_IDLE 0 #define I2C_STA_START 1 #define I2C_STA_DATA 2 #define I2C_STA_ACK 3 #define I2C_STA_NACK 4 #define I2C_STA_STOP 5 #define I2C_READ 1 #define I2C_WRITE 0 #define GPIO_DIR_IN 0 #define GPIO_DIR_OUT 1 #define SET_SCL_DIR(Temp, InOut) \ Temp = SW_SLAVE_SCL_PRT->MODER; \ Temp &= ~(GPIO_MODER_MODER6); \ Temp |= ((InOut & GPIO_MODE_MSK) MODER = temp; #define SET_SDA_DIR(Temp, InOut) \ Temp = SW_SLAVE_SDA_PRT->MODER; \ Temp &= ~(GPIO_MODER_MODER7); \ Temp |= ((InOut & GPIO_MODE_MSK) MODER = Temp; #define CLR_SDA_PIN() (SW_SLAVE_SDA_PRT->BSRR = SW_SLAVE_SDA_PIN BSRR = SW_SLAVE_SDA_PIN) typedef struct _SwSlaveI2C_t { uint8_t State; // I2C通信状态 uint8_t Rw; // I2C读写标志：0-写，1-读 uint8_t SclFallCnt; // SCL下降沿计数 uint8_t Flag; // I2C状态标志，BIT0：0-地址无效，1-地址匹配 uint32_t StartMs; // I2C通信起始时间，单位ms，用于判断通信是否超时 uint8_t* RxBuf; // 指向接收缓冲区的指针 uint8_t* TxBuf; // 指向发送缓冲区的指针 uint8_t RxIdx; // 接收缓冲区数据写入索引，最大值255 uint8_t TxIdx; // 发送缓冲区数据读取索引，最大值255 }SwSlaveI2C_t; extern SwSlaveI2C_t SwSlaveI2C; void InitSwSlaveI2C(void); void I2cGpioIsr(void); void CheckSwSlaveI2cTimeout(void); #ifdef __cplusplus } #endif #endif /* __SW_TIMER_H_ */

2）I2C通信引脚SCL/SDA对应的GPIO的初始化。这里使用PB6/PB7引脚。代码如下。

void InitSwSlaveI2C(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /* Enable I2C GPIO clock */ SW_SLAVE_SCL_CLK_EN(); SW_SLAVE_SDA_CLK_EN(); /* Configure SCL GPIO pin */ GPIO_InitStructure.Pin = SW_SLAVE_SCL_PIN; GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP; GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FAST; HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SCL_PRT, &GPIO_InitStructure); /* Configure SDA GPIO pin */ GPIO_InitStructure.Pin = SW_SLAVE_SDA_PIN; HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SDA_PRT, &GPIO_InitStructure); /* Configure SCL GPIO pin as input interruption with pull up */ GPIO_InitStructure.Pin = SW_SLAVE_SCL_PIN; GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING; HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SCL_PRT, &GPIO_InitStructure); /* Configure SDA GPIO pin as input interruption with pull up */ GPIO_InitStructure.Pin = SW_SLAVE_SDA_PIN; HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SDA_PRT, &GPIO_InitStructure); /* Enable and set EXTI Line9_5 Interrupt to the highest priority */ HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 0, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn); }

3）由于SCL/SDA引脚被设置成中断引脚，需要实现GPIO的中断处理函数。中断处理函数中已经包含了软件模拟I2C从机的所有功能。代码如下。其中EXTI9_5_IRQHandler为STM32外部line9-5中断的入口函数，在该入口函数中调用模拟I2C从机的GPIO口中断处理函数I2cGpioIsr()。

void EXTI9_5_IRQHandler(void) { I2cGpioIsr(); } void I2cGpioIsr(void) { uint32_t temp; // 处理SCL的上下沿中断 if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN) != RESET) { __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN); // 更新通信起始时间 SwSlaveI2C.StartMs = HAL_GetTick(); // SCL的下降沿事件处理，此时需要更新要传输的数据 if((SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN) == (uint32_t)GPIO_PIN_RESET) { switch(SwSlaveI2C.State) { case I2C_STA_START: // 起始信号的下降沿，初始化相关参数并转到接收比特数据状态 SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0; SwSlaveI2C.RxIdx = 0; SwSlaveI2C.TxIdx = 0; SwSlaveI2C.Flag = 0; // 默认地址不匹配 SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] = 0; SwSlaveI2C.Rw = I2C_WRITE; // 第1字节为设备地址，一定是写入 SwSlaveI2C.State = I2C_STA_DATA; break; case I2C_STA_DATA: SwSlaveI2C.SclFallCnt++; if(8 > SwSlaveI2C.SclFallCnt) { // 如果是主机读取数据，则在SCL低电平时更新比特数据 if(SwSlaveI2C.Rw == I2C_READ) { if(SwSlaveI2C.TxBuf[SwSlaveI2C.TxIdx] & (1 SwSlaveI2C.SclFallCnt)) { if(SW_SLAVE_SDA_PRT->IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN) { SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] |= (1 IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN)) { SwSlaveI2C.State = I2C_STA_NACK; } break; } } } else if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(SW_SLAVE_SDA_PIN) != RESET) { __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(SW_SLAVE_SDA_PIN); if((SW_SLAVE_SDA_PRT->IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN) == (uint32_t)GPIO_PIN_RESET) { // SCL为高电平时，SDA从高变低，说明是起始信号 if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN) { SwSlaveI2C.State = I2C_STA_START; } } else { // SCL为高电平时，SDA从低变高，说明是停止信号，一次I2C通信结束，直接将状态设置成空闲 if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN) { SwSlaveI2C.State = I2C_STA_IDLE; } } } }

4）为了确保模拟I2C从机通信的可靠性，额外设计了I2C通信超时处理函数。在I2C通信进行的过程中，如果通信出现了中断，则通过超时判断来重置I2C从机状态，确保出现通信异常时可以从异常状态中自动恢复。该函数需要在主流程中调用。代码如下。

void CheckSwSlaveI2cTimeout(void) { uint32_t TimeMs, TimeCurMs; if(SwSlaveI2C.State != I2C_STA_IDLE) { TimeCurMs = HAL_GetTick(); if(TimeCurMs >= SwSlaveI2C.StartMs) { TimeMs = TimeCurMs - SwSlaveI2C.StartMs; } else { TimeMs = ~(SwSlaveI2C.StartMs - TimeCurMs) + 1; } if(500

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