引言

I2C作為一種簡單的數(shù)字通訊方式，僅需要兩根數(shù)據(jù)線就可以完成近距離主機(jī)（Master）與從機(jī)(Slave)之間的通訊，節(jié)省了MCU引腳以及額外的邏輯芯片，簡化了PCB布板難度，因此得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，TI也推出了越來越多支持I2C通訊功能的芯片，大大簡化了芯片與MCU之間的通訊，方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

但在實(shí)際應(yīng)用中，針對性能要求較低的應(yīng)用場合，通常選擇外設(shè)較為簡單的低端主控MCU，可能并不具備I2C接口。對于此類應(yīng)用，可以通過MCU的IO口進(jìn)行I2C模擬，與被控器件建立通訊，達(dá)到發(fā)送控制指令、讀取內(nèi)部寄存器的目的。即使在I2C接口缺失的情況下也能夠充分發(fā)揮器件的全部功能。

本文基于C2000提供了一種利用GPIO模擬I2C控制被控芯片的解決方案，并附有完整例程。對于絕大多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)I2C通信協(xié)議以及部分采用SMBus的芯片均具有參考意義。基于其它MCU的方案也可參考該例程進(jìn)行移植。

一、I2C通訊協(xié)議與GPIO模擬

I2C總線由兩條雙向信號線構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)線（SDA）以及時鐘線（SCL），分別用電阻進(jìn)行上拉，以實(shí)現(xiàn)高低電平之間的切換，進(jìn)行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交交換。I2C允許的工作電壓范圍較為寬泛，典型電壓基準(zhǔn)為+3.3V或+5V。常見的I2C總線速率分為以下幾種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式（100Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）以及高速模式（3.4Mbit/s）等。如圖為典型的I2C連接示意圖：

圖1 I2C連接示意圖

如圖2為典型的I2C通訊幀格式示意圖。一幀完整的數(shù)據(jù)發(fā)送主要包括起始位、地址位、讀/寫位、ACK/NCK位、數(shù)據(jù)位等。下面對各部分進(jìn)行簡要的講解，并介紹如何通過C2000進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖2 I2C連接示意圖

1.1 起始及結(jié)束指令

當(dāng)某個設(shè)備在I2C總線上被配置為主機(jī)（Master），該設(shè)備可以發(fā)送起始及結(jié)束信號用來發(fā)起或結(jié)束一次I2C通信，母線電平示意圖如圖2所示。

起始信號：在SCL為高電平期間，SDA由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。

結(jié)束信號：在SCL為高電平期間，SDA由低電平轉(zhuǎn)換為高電平。

圖3 I2C通訊起始及結(jié)束信號

在C2000中，可以通過以下代碼實(shí)現(xiàn)起始信號的發(fā)送。其中SCL及SDA分別代表用C2000 GPIO模擬的SDA及SCL總線，具體定義請參考例程部分。

voidI2C_Start(void)

{

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

SDA_High();//SettheSDA

Delay(I2CDelay);

SDA_Low(); //CleartheSDAwhileSCLishighindicatesthestartsignal

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

}

可以參考以下代碼實(shí)現(xiàn)結(jié)束信號的發(fā)送：

voidI2C_Finish(void)

{

SDA_Low(); //CleartheSDA

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SDA_High();//SettheSDAwhileSCLishighindicatesthefinishsignal

}

1.2 數(shù)據(jù)位及地址位

I2C通訊的數(shù)據(jù)位通常由1-8的數(shù)據(jù)構(gòu)成，在主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送以及讀取期間，SCL總線時鐘信號時鐘仍由主機(jī)發(fā)出，每個SCL高電平期間對應(yīng)一位數(shù)據(jù)。在SCL高電平期間，都應(yīng)該保持SDA上的數(shù)據(jù)正確，因此在實(shí)際的應(yīng)用中，通常使得SDA的高電平脈寬寬于SCL。

地址位的發(fā)送與數(shù)據(jù)位類似，實(shí)際的操作中可以將設(shè)備的7位地址位+1位讀寫位作為一個8位字節(jié)進(jìn)行整體的發(fā)送。以BQ25703A為例，默認(rèn)設(shè)備地址為0x6B(7bit)。則在進(jìn)行讀操作時，所要發(fā)送的字節(jié)為0xD7(1101011b+1b)；進(jìn)行寫操作時，所要發(fā)送的整體字節(jié)為0XD6 (1101011b+0b)。

數(shù)據(jù)位及地址位的發(fā)送均可參考以下發(fā)送一個8位byte的實(shí)現(xiàn)方法：

voidI2C_Send_Byte(unsignedchartxd)

{

intt;

SDA_Output(); //Config SDA GPIO as output

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

txd&=0X00FF; // Getthe lower8bits

for(t=0;t<8;t++)??

{

SDA_Data_Register=(txd&0x80)>>7;//SendtheLSB

txd<<=1;??

Delay(I2CDelay/2);

SCL_High();//SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay/2);

}

}

1.3 ACK/NACK指令

Acknowledge（ACK）以及Not Acknowledge（NACK）指令通常發(fā)生在一個byte發(fā)送結(jié)束之后，用于標(biāo)志一個byte發(fā)送的成功或失敗。特別需要注意的是，即使是在ACK時鐘周期期間，SCL總線時鐘信號也是由主機(jī)產(chǎn)生的。

ACK: 當(dāng)一次發(fā)送結(jié)束，主機(jī)釋放SDA總線。若發(fā)送成功，從機(jī)在第9個時鐘周期內(nèi)拉低SDA總線，并在整個高電平期間保持。

NACK: 當(dāng)一次發(fā)送結(jié)束，主機(jī)釋放SDA總線。若發(fā)送失敗，在第9個時鐘周期內(nèi)SDA始終處于高電平。

在通訊中作為主機(jī)的MCU通常只需要實(shí)現(xiàn)NACK的發(fā)送以及ACK信號的等待，具體可參考以下程序：

voidI2C_NAck(void)

{

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

SDA_Low(); //CleartheSDA

Delay(I2CDelay);

SCL_High(); //SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

}

Uint16I2C_Wait_Ack(void)

{

intErrTime=0;

intReadAck=0;

SDA_Input();//Config SDAGPIO as Input

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCLandwaitforACK

while(1)

{

ReadAck=SDA_Data_Register;//Readtheinput

if(ReadAck)

{

ErrTime++;

if(ErrTime>ErrLimit)

{

//Errorhandler:Seterrorflag,retryorstop.

//Definebyusers

return1;

}

}

if(ReadAck==0) //Receive a ACK

{

Delay(I2CDelay);

SCL_Low();//CleartheSCLforNextTransmit

return0;

}

}

}

基于以上幾個基本的I2C通訊操作，就可以發(fā)送一個完整I2C數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)基本的I2C通訊功能，構(gòu)建了利用GPIO口模擬I2C進(jìn)行芯片控制的基礎(chǔ)。

二、I2C模擬器件寄存器寫入與讀取

在構(gòu)建了基本的I2C通訊功能之后，就可以利用I2C通訊對Slave進(jìn)行控制或狀態(tài)的讀取，其本質(zhì)就是對Slave的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作。下面以一個典型的帶有I2C功能的8位寄存器芯片為例，介紹如何利用前文的基礎(chǔ)I2C模擬函數(shù)對芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行寫入和讀取。

I2C 寫入：要進(jìn)行一次I2C寫入，MCU首先要發(fā)送一個起始位以及一個由7位slave地址位和讀寫位（0b）組成的8位硬件寫地址，而后釋放SDA總線。若地址正確，slave將拉低SDA發(fā)送一個ACK。此后，MCU發(fā)送寫入寄存器的地址，并等待slave返回的ACK。響應(yīng)后，MCU發(fā)送8位數(shù)據(jù)，并在收到ACK響應(yīng)后發(fā)送停止位。

圖4 I2C寫入寄存器幀格式

具體實(shí)現(xiàn)方法可以參考以下代碼：

voidI2C_Write_Register(unsignedcharDevice,unsignedcharRegister,unsignedcharValue)

{

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device);//Sendthedeviceaddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Register);//Sendtheregisteraddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Value); //Sendregistervalue

I2C_Wait_Ack();

I2C_Finish();

}

I2C讀取：要讀取Slave的內(nèi)部寄存器，MCU首先要與Slave進(jìn)行一次通信，告知Slave讀取的目標(biāo)寄存器，該過程與進(jìn)行寫入操作類似。MCU首先發(fā)送起始位、8位Slave寫地址，并在ACK信號后發(fā)送8位的目標(biāo)寄存器地址。在Slave響應(yīng)該地址后，MCU重新發(fā)送一次起始位，以及8位Slave讀地址（7位地址+1b），ACK響應(yīng)后MCU釋放SDA總線，并繼續(xù)發(fā)送SCL時鐘信號讀取SDA上的內(nèi)容。接收完成后，MCU 發(fā)送NACK位以及STOP位結(jié)束一次寄存器讀取操作。

圖5 I2C讀取寄存器幀格式

8位Byte的讀方法可以參考以下代碼：

unsignedcharI2C_Read_Byte(void)

{

intt,rxData;

unsignedcharreceive;

SDA_Input();

for(t=0;t<8;t++)??

{

SCL_Low();//CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

receive<<=1;??

rxData=SDA_Data_Register;

if(rxData)

{

receive++;

}

Delay(I2CDelay);

}

returnreceive;

}

寄存器的讀方法可以參考以下代碼：

unsignedcharI2C_Read_Register(unsignedcharDevice_Write,unsignedcharDevice_Read,unsignedcharRegister)

{

unsignedcharReadData;

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device_Write);//Sendthedeviceaddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Register); //Sendtheregisteraddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device_Read); //Sendregistervalue

I2C_Wait_Ack();

SDA_High(); //SettheSDA

ReadData=I2C_Read_Byte();

I2C_NAck();

Delay(1);

I2C_Finish();

returnReadData;

}

三、參考例程

本文附帶的例程中包含了完整GPIO模擬I2C通訊的頭文件以及函數(shù)，下面對例程中的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，以方便讀者理解。

圖6 I2C通訊程序架構(gòu)

3.1宏定義

1）定義硬件通訊通訊地址及寄存器地址：

#defineDevice_Address_Write0xC0

#defineDevice_Address_Read0xC1

#defineREG_1 0x01

#defineREG_2 0x02

#defineREG_3 0x03

#defineREG_4 0x04

Device_Address_Write	硬件寫地址：默認(rèn)地址0x60(7bit)+0b
Device_Address_Read	硬件讀地址：默認(rèn)地址0x60(7bit)+0b
REG_1 - 4	硬件內(nèi)部寄存器地址

表1 硬件讀寫地址及寄存器地址

在調(diào)用此代碼時，只需在.h文件依照所用器件實(shí)際情況修改硬件地址及各寄存器地址，就可以很方便地調(diào)用相關(guān)函數(shù)。

2）定義I2C通訊速率

#defineI2CDelay1//DefinetoconfigureI2Crate

I2CDelay

I2C通訊時鐘高低電平時間

表2 I2C通訊速率

通過改變I2CDelay可以設(shè)置I2C通訊時鐘的高低電平持續(xù)時間，進(jìn)而改變I2C的通訊速率。實(shí)際應(yīng)用中，該值可以通過實(shí)際測試進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到理想的通訊速率。

3）定義IO口動作

#defineSDA_High(){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO7=1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}

#defineSDA_Low(){GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO7=1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//TocleartheSDAline.Disableprotectionforwritingregister

#defineSDA_Input(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=0;EDIS;}//SDADIR=Input

#defineSDA_Output(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//SDADIR=Output

#defineSDA_Data_RegisterGpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7

#defineSCL_High(){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO6=1;}//SettheSCLline

#defineSCL_Low(){GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO6=1;}//CleartheSCLline

SDA_High()	將SDA對應(yīng)GPIO置1
SDA_Low()	將SDA對應(yīng)GPIO置1
SDA_Input	將SDA對應(yīng)GPIO設(shè)為輸入狀態(tài)
SDA_Output	將SDA對應(yīng)GPIO設(shè)為輸出狀態(tài)
SDA_Data_Register	SDA對應(yīng)GPIO數(shù)據(jù)寄存器
SCL_High()	將SCL對應(yīng)GPIO置1
SCL_Low()	將SCL對應(yīng)GPIO置0

表3 IO口動作宏定義

將GPIO口的動作以宏定義的形式定義為SDA、SCL的動作，以增強(qiáng)代碼的可讀性。在進(jìn)行程序移植時，只需要根據(jù)單片機(jī)實(shí)際情況將宏定義內(nèi)的代碼更換成對應(yīng)GPIO口動作的代碼，不需要對程序其他部分進(jìn)行改動。其中EALLOW\EDIS語句是TI C2000產(chǎn)品改變GPIO口方向時需要解除相應(yīng)的保護(hù)，請根據(jù)具體情況進(jìn)行改動。

4）定義Delay函數(shù)

#defineDelay(A)DELAY_US(A)

Delay()函數(shù)用于進(jìn)行程序中SDA、SCL的高低電平延時，在例程中實(shí)際被定義成DELAY_US（）函數(shù)。在移植過程需要根據(jù)實(shí)際情況修改宏定義，更改成適用用戶MCU的延時函數(shù)，不需要對后續(xù)程序進(jìn)行修改。

3.2 I2C通訊功能函數(shù)

voidI2C_Start(void);

voidI2C_Finish(void);

Uint16I2C_Wait_Ack(void);

voidI2C_NAck(void);

voidI2C_Send_Byte(unsignedcharxtd);

unsignedcharI2C_Read_Byte(void);

函數(shù)名稱	功能描述
void I2C_Start(void)	發(fā)送I2C通訊起始信號
void I2C_Finish(void)	發(fā)送I2C通訊結(jié)束信號
Uint16 I2C_Wait_Ack(void)	等待Ack應(yīng)答信號，返回接收狀態(tài)
void I2C_NAck(void)	發(fā)送一個NAck信號，用于寄存器讀取
void I2C_Send_Byte(unsigned char xtd)	發(fā)送一個字節(jié)
unsigned char I2C_Read_Byte(void)	讀取一個字節(jié)
void Gpio_setup(void)	GPIO口配置
void I2C_Write_Register(unsigned char Device, unsigned char Register, unsigned char value)	I2C 寫寄存器函數(shù)
void I2C_Read_Register(unsigned char Device_Write, unsigned char Device_Read, unsigned char Register)	I2C 讀寄存器函數(shù)

表4 I2C通訊函數(shù)

四、總結(jié)

針對由于MCU缺少I2C接口而不能直接使用I2C與外圍芯片進(jìn)行通訊的問題，本文給出了使用IO模擬I2C接口的方法。首先，從I2C協(xié)議入手對數(shù)據(jù)幀中各個位的邏輯電平進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出基于C2000 GPIO的具體實(shí)現(xiàn)方法；在此基礎(chǔ)上，以常見的8位I2C通訊Slave為例介紹了內(nèi)部寄存器的讀取邏輯，并給出了實(shí)現(xiàn)方法。最后，針對附帶的參考例程內(nèi)容進(jìn)行了介紹，方便讀者參考例程，其它MCU也可以在本例程上進(jìn)行快速的移植。本文為使用IO模擬I2C需求給出了一種有效的解決方案。

審核編輯：何安