I2C作为一种简单的数字通讯方式，仅需要两根数据线就可以完成近距离主机（Master）与从机(Slave)之间的通讯，节省了MCU引脚以及额外的逻辑芯片，简化了PCB布板难度，因此得到了广泛的应用。近年来，TI也推出了越来越多支持I2C通讯功能的芯片，大大简化了芯片与MCU之间的通讯，方便了系统的设计。
但在实际应用中，针对性能要求较低的应用场合，通常选择外设较为简单的低端主控MCU，可能并不具备I2C接口。对于此类应用，可以通过MCU的IO口进行I2C模拟，与被控器件建立通讯，达到发送控制指令、读取内部寄存器的目的。即使在I2C接口缺失的情况下也能够充分发挥器件的全部功能。
本文基于C2000提供了一种利用GPIO模拟I2C控制被控芯片的解决方案，并附有完整例程。对于绝大多数采用标准I2C通信协议以及部分采用SMBus的芯片均具有参考意义。基于其它MCU的方案也可参考该例程进行移植。
一、I2C 通讯协议与GPIO模拟
I2C总线由两条双向信号线构成，分别为数据线（SDA）以及时钟线（SCL），分别用电阻进行上拉，以实现高低电平之间的切换，进行设备之间的数据交交换。I2C允许的工作电压范围较为宽泛，典型电压基准为+3.3V或+5V。常见的I2C总线速率分为以下几种模式：标准模式（100Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）以及高速模式（3.4Mbit/s）等。如图为典型的I2C连接示意图：
图1 I2C连接示意图
如图2为典型的I2C通讯帧格式示意图。一帧完整的数据发送主要包括起始位、地址位、读/写位、ACK/NCK位、数据位等。下面对各部分进行简要的讲解，并介绍如何通过C2000进行实现。
图2 I2C连接示意图
1.1 起始及结束指令
当某个设备在I2C总线上被配置为主机（Master），该设备可以发送起始及结束信号用来发起或结束一次I2C通信，母线电平示意图如图2所示。
- 起始信号：在SCL为高电平期间，SDA由高电平转换为低电平。
- 结束信号：在SCL为高电平期间，SDA由低电平转换为高电平。
图3 I2C通讯起始及结束信号
在C2000中，可以通过以下代码实现起始信号的发送。其中SCL及SDA分别代表用C2000 GPIO模拟的SDA及SCL总线，具体定义请参考例程部分。
- void I2C_Start(void)
- {
- Delay(I2CDelay);
- SCL_High(); // Set the SCL
- SDA_High(); // Set the SDA
- Delay(I2CDelay);
- SDA_Low(); // Clear the SDA while SCL is high indicates the start signal
- Delay(I2CDelay);
- SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
- }
可以参考以下代码实现结束信号的发送：
- void I2C_Finish(void)
- {
- SDA_Low(); // Clear the SDA
- SCL_Low(); // Clear the SCL
- Delay(I2CDelay);
- SCL_High(); // Set the SCL
- Delay(I2CDelay);
- SDA_High(); // Set the SDA while SCL is high indicates the finish signal
- }
1.2 数据位及地址位
I2C通讯的数据位通常由1-8的数据构成，在主机进行数据的发送以及读取期间，SCL总线时钟信号时钟仍由主机发出，每个SCL高电平期间对应一位数据。在SCL高电平期间，都应该保持SDA上的数据正确，因此在实际的应用中，通常使得SDA的高电平脉宽宽于SCL。
地址位的发送与数据位类似，实际的操作中可以将设备的7位地址位+1位读写位作为一个8位字节进行整体的发送。以BQ25703A为例，默认设备地址为0x6B(7bit)。则在进行读操作时，所要发送的字节为0xD7(1101011b+1b)；进行写操作时，所要发送的整体字节为0XD6 (1101011b+0b)。 数据位及地址位的发送均可参考以下发送一个8位byte的实现方法：
- void I2C_Send_Byte(unsigned char txd)
- {
- int t;
- SDA_Output(); // Config SDA GPIO as output
- SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
- txd&=0X00FF; // Get the lower 8 bits
- for(t=0;t<8;t++)
- {
- SDA_Data_Register = (txd&0x80)>>7; // Send the LSB
- txd<<=1;
- Delay(I2CDelay/2);
- SCL_High(); // Set the SCL
- Delay(I2CDelay);
- SCL_Low(); // Clear the SCL
- Delay(I2CDelay/2);
- }
- }
1.3 ACK/NACK指令
Acknowledge（ACK）以及Not Acknowledge（NACK）指令通常发生在一个byte发送结束之后，用于标志一个byte发送的成功或失败。特别需要注意的是，即使是在ACK时钟周期期间，SCL总线时钟信号也是由主机产生的。
ACK: 当一次发送结束，主机释放SDA总线。若发送成功，从机在第9个时钟周期内拉低SDA总线，并在整个高电平期间保持。
NACK: 当一次发送结束，主机释放SDA总线。若发送失败，在第9个时钟周期内SDA始终处于高电平。
在通讯中作为主机的MCU通常只需要实现NACK的发送以及ACK信号的等待，具体可参考以下程序：
- void I2C_NAck(void)
- {
- SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
- SDA_Low() ; // Clear the SDA
- Delay(I2CDelay);
- SCL_High(); // Set the SCL
- Delay(I2CDelay);
- SCL_Low(); // Clear the SCL
- Delay(I2CDelay);
- }
- Uint16 I2C_Wait_Ack(void)
- {
- int ErrTime=0;
- int ReadAck=0;
- SDA_Input(); // Config SDA GPIO as Input
- Delay(I2CDelay);
- SCL_High(); // Set the SCL and wait for ACK
- while(1)
- {
- ReadAck = SDA_Data_Register ; // Read the input
- if(ReadAck)
- {
- ErrTime++;
- if(ErrTime>ErrLimit)
- {
- //Error handler:Set error flag, retry or stop.
- //Define by users
- return 1;
- }
- }
- if(ReadAck==0) // Receive a ACK
- {
- Delay(I2CDelay);
- SCL_Low(); // Clear the SCL for Next Transmit
- return 0;
- }
- }
- }
基于以上几个基本的I2C通讯操作，就可以发送一个完整I2C数据帧，实现基本的I2C通讯功能，构建了利用GPIO口模拟I2C进行芯片控制的基础。
二、I2C模拟器件寄存器写入与读取
在构建了基本的I2C通讯功能之后，就可以利用I2C通讯对Slave进行控制或状态的读取，其本质就是对Slave的内部寄存器进行读写操作。下面以一个典型的带有I2C功能的8位寄存器芯片为例，介绍如何利用前文的基础I2C模拟函数对芯片的内部寄存器进行写入和读取。
I2C 写入：要进行一次I2C写入，MCU首先要发送一个起始位以及一个由7位slave地址位和读写位（0b）组成的8位硬件写地址，而后释放SDA总线。若地址正确，slave将拉低SDA发送一个ACK。此后，MCU发送写入寄存器的地址，并等待slave返回的ACK。响应后，MCU发送8位数据，并在收到ACK响应后发送停止位。
图4 I2C写入寄存器帧格式
具体实现方法可以参考以下代码：
- void I2C_Write_Register(unsigned char Device, unsigned char Register,unsigned char Value)
- {
- I2C_Start();
- I2C_Send_Byte(Device); //Send the device address
- I2C_Wait_Ack(); //Wait for the ack signal
- I2C_Send_Byte(Register); //Send the register address
- I2C_Wait_Ack(); //Wait for the ack signal
- I2C_Send_Byte(Value); //Send register value
- I2C_Wait_Ack();
- I2C_Finish();
- }
I2C读取：要读取Slave的内部寄存器，MCU首先要与Slave进行一次通信，告知Slave读取的目标寄存器，该过程与进行写入操作类似。MCU首先发送起始位、8位Slave写地址，并在ACK信号后发送8位的目标寄存器地址。在Slave响应该地址后，MCU重新发送一次起始位，以及8位Slave读地址（7位地址+1b），ACK响应后MCU释放SDA总线，并继续发送SCL时钟信号读取SDA上的内容。接收完成后，MCU 发送NACK位以及STOP位结束一次寄存器读取操作。
图5 I2C读取寄存器帧格式
8位Byte的读方法可以参考以下代码：
- unsigned char I2C_Read_Byte(void)
- {
- int t,rxData;
- unsigned char receive;
- SDA_Input();
- for(t=0;t<8;t++)
- {
- SCL_Low(); // Clear the SCL
- Delay(I2CDelay);
- SCL_High(); // Set the SCL
- receive<<=1;
- rxData = SDA_Data_Register ;
- if(rxData)
- {
- receive++;
- }
- Delay(I2CDelay);
- }
- return receive;
- }
寄存器的读方法可以参考以下代码：
- unsigned char I2C_Read_Register(unsigned char Device_Write,unsigned char Device_Read, unsigned char Register)
- {
- unsigned char ReadData;
- I2C_Start();
- I2C_Send_Byte(Device_Write); //Send the device address
- I2C_Wait_Ack(); //Wait for the ack signal
- I2C_Send_Byte(Register); //Send the register address
- I2C_Wait_Ack(); //Wait for the ack signal
- I2C_Start();
- I2C_Send_Byte(Device_Read); //Send register value
- I2C_Wait_Ack();
- SDA_High(); // Set the SDA
- ReadData = I2C_Read_Byte();
- I2C_NAck();
- Delay(1);
- I2C_Finish();
- return ReadData;
- }
三、参考例程
本文附带的例程中包含了完整GPIO模拟I2C通讯的头文件以及函数，下面对例程中的主要内容进行介绍，以方便读者理解。
图6 I2C通讯程序架构
3.1宏定义
1）定义硬件通讯通讯地址及寄存器地址：
- #define Device_Address_Write 0xC0
- #define Device_Address_Read 0xC1
- #define REG_1 0x01
- #define REG_2 0x02
- #define REG_3 0x03
- #define REG_4 0x04
Device_Address_Write | 硬件写地址：默认地址0x60(7bit)+0b |
Device_Address_Read | 硬件读地址：默认地址0x60(7bit)+0b |
REG_1 - 4 | 硬件内部寄存器地址 |
表1 硬件读写地址及寄存器地址
在调用此代码时，只需在.h文件依照所用器件实际情况修改硬件地址及各寄存器地址，就可以很方便地调用相关函数。
2）定义I2C通讯速率
- #define I2CDelay 1 // Define to configure I2C rate
表2 I2C通讯速率
通过改变I2CDelay可以设置I2C通讯时钟的高低电平持续时间，进而改变I2C的通讯速率。实际应用中，该值可以通过实际测试进行调整，以达到理想的通讯速率。
3）定义IO口动作
- #define SDA_High() {GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO7 = 1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}
- #define SDA_Low() {GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO7 = 1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//To clear the SDA line. Disable protection for writing register
- #define SDA_Input() {EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=0;EDIS;} // SDA DIR=Input
- #define SDA_Output(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;} // SDA DIR=Output
- #define SDA_Data_Register GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7
- #define SCL_High() {GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO6 = 1;} //Set the SCL line
- #define SCL_Low() {GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO6 = 1;} //Clear the SCL line
SDA_High() | 将SDA对应GPIO置1 |
SDA_Low() | 将SDA对应GPIO置1 |
SDA_Input | 将SDA对应GPIO设为输入状态 |
SDA_Output | 将SDA对应GPIO设为输出状态 |
SDA_Data_Register | SDA对应GPIO数据寄存器 |
SCL_High() | 将SCL对应GPIO置1 |
SCL_Low() | 将SCL对应GPIO置0 |
表3 IO口动作宏定义
将GPIO口的动作以宏定义的形式定义为SDA、SCL的动作，以增强代码的可读性。在进行程序移植时，只需要根据单片机实际情况将宏定义内的代码更换成对应GPIO口动作的代码，不需要对程序其他部分进行改动。其中EALLOW\EDIS语句是TI C2000产品改变GPIO口方向时需要解除相应的保护，请根据具体情况进行改动。
4）定义Delay函数
- #define Delay(A) DELAY_US(A)
Delay()函数用于进行程序中SDA、SCL的高低电平延时，在例程中实际被定义成DELAY_US（）函数。在移植过程需要根据实际情况修改宏定义，更改成适用用户MCU的延时函数，不需要对后续程序进行修改。
3.2 I2C通讯功能函数
- void I2C_Start(void);
- void I2C_Finish(void);
- Uint16 I2C_Wait_Ack(void);
- void I2C_NAck(void);
- void I2C_Send_Byte(unsigned char xtd);
- unsigned char I2C_Read_Byte(void);
函数名称 | 功能描述 |
void I2C_Start(void) | 发送I2C通讯起始信号 |
void I2C_Finish(void) | 发送I2C通讯结束信号 |
Uint16 I2C_Wait_Ack(void) | 等待Ack应答信号，返回接收状态 |
void I2C_NAck(void) | 发送一个NAck信号，用于寄存器读取 |
void I2C_Send_Byte(unsigned char xtd) | 发送一个字节 |
unsigned char I2C_Read_Byte(void) | 读取一个字节 |
void Gpio_setup(void) | GPIO口配置 |
void I2C_Write_Register(unsigned char Device, unsigned char Register, unsigned char value) | I2C 写寄存器函数 |
void I2C_Read_Register(unsigned char Device_Write, unsigned char Device_Read, unsigned char Register) | I2C 读寄存器函数 |
表4 I2C通讯函数
四、总结
针对由于MCU缺少I2C接口而不能直接使用I2C与外围芯片进行通讯的问题，本文给出了使用IO模拟I2C接口的方法。首先，从I2C协议入手对数据帧中各个位的逻辑电平进行了详细介绍，并给出基于C2000 GPIO的具体实现方法；在此基础上，以常见的8位I2C通讯Slave为例介绍了内部寄存器的读取逻辑，并给出了实现方法。最后，针对附带的参考例程内容进行了介绍，方便读者参考例程，其它MCU也可以在本例程上进行快速的移植。本文为使用IO模拟I2C需求给出了一种有效的解决方案。
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