软件模拟IIC的全面笔记(已调通)

@[toc] lib_i2c_simulation

/** @Author: Haiyichen* @Date: 2023-09-21 16:16:16* @LastEditors: Haiyichen* @LastEditTime: 2023-10-31 18:01:10* @Description: Personal notes of i2c-simulation*/

i2c基础

通讯流程

协议

除了文字解释，有用wavedrom简单画了一些各种信号的电平变化过程，但需要支持MPE才能看到，虽然CSDN上的在线编辑器无法渲染出图，但还是放出来了，如果有条件可以在自己的VSCode中配置MPE(markdown preview enhenced)

  1. 开始：SCL为高电平时，SDA从高电平状态切换到低电平状态。
    {signal:[{       name:'SCL',   wave:'p.Pp'},{       name:'data',  wave:"x.=x", data:["Start" ]},{       name:'SDA',   wave:"1.0"}
]}
  2. 停止：SCL为高电平时，SDA从低电平状态切换到高电平状态。
    {signal:[{       name:'SCL',   wave:'p.PPp'},{       name:'data',  wave:"x.=x", data:["Stop" ]},{       name:'SDA',   wave:"0.10"}
]}
  3. 应答:发送侧发送完8bit数据后，接收侧需要回复一个信号，即第9个SCL时，接收侧将SDA拉低，称作ACK。
    {signal:[{       name:'SCL',   wave:'p.Pp..|Pp'},{       name:'data',  wave:"x.==..|=x", data:["Start", "SlaveAddress","Ack"]},{       name:'SDA',   wave:"0.10.1|0."}
]}
  4. 无应答：发送侧发送完8bit数据后，接收侧需要回复一个信号，即第9个SCL时，接收侧将SDA拉高（或叫释放SDA），称作NACK。NACK时同时会引起Master发生RESTART或STOP流程。
    {signal:[
{       name:'SCL',   wave:'p.Pp..|Pp'},
{       name:'data',  wave:"x.==..|=x", data:["Start", "SlaveAddress","Nack"]},
{       name:'SDA',   wave:"0.10.0|1."}
]}
  5. 地址命令:i2c的地址是7bit，第8bit是方向位。1代表Read、0代表Write

写流程

  1. Master发起START
  2. Master发送Slave地址(7bit)和W(0:写动作)，等待Slave发动应答ACK
  3. Slave发送应答ACK
  4. Master发送寄存器地址(8bit),等待Slave发送应答ACK
  5. Slave发送应答ACK
  6. Master发送写入寄存器的数据(8bit),等待Slave发送应答ACK
  7. Slave发送应答ACK
  8. 6~7可以循环多次，即按顺序写多个寄存器
  9. Master发起STOP

读流程

  1. Master发起START
  2. Master发送Slave地址(7bit)和W(0:写动作),等待Slave发送应答ACK
  3. Slave发送应答ACK
  4. Master发送寄存器地址(8bit),等待Slave发送应答ACK
  5. Slave发送应答ACK
  6. Master发起START
  7. Master发送Slave地址(7bit)和R(1:读动作),等待Slave发送应答ACK
  8. Slave发送应答ACK
  9. Slave发送寄存器里数据(8bit),等待Master发送ACK
  10. Master发送ACK或NACK(出现NACK，后面直接就是STOP流程)
  11. 9~10可以循环多次，即顺序读多个寄存器
  12. Master发起STOP

i2c模拟驱动函数

相关硬件配置

/* IO definition of i2c simulation */
#define I2C_SIMULATION_GPIO_PORT             GPIOA
#define I2C_SIMULATION_SCL_PIN               GPIO_PINS_0
#define I2C_SIMULATION_SDA_PIN               GPIO_PINS_1/* driver definition of i2c simulation for M1 */
#define I2C_SDA_H()        I2C_SIMULATION_GPIO_PORT->scr = I2C_SIMULATION_SDA_PIN;
#define I2C_SDA_L()        I2C_SIMULATION_GPIO_PORT->clr = I2C_SIMULATION_SDA_PIN; 
#define I2C_SCL_H()        I2C_SIMULATION_GPIO_PORT->scr = I2C_SIMULATION_SCL_PIN;
#define I2C_SCL_L()        I2C_SIMULATION_GPIO_PORT->clr = I2C_SIMULATION_SCL_PIN;

关于模拟i2c的IO配置细节

关于SDA引脚是配置成开漏还是推挽,

  • 推挽输出对应->需要切换输入输出模式；
  • 开漏输出对应->不需要切换输入输出模式.
    参考链接已验证

i2c_Delay()

//需要根据主控MCU频率和i的取值，调整i2c_Delay的时长，进而调整SCL的脉宽。(也受编译器“优化等级”影响)
/*** @name   i2c_Delay* @brief  soft delay for i2c clock* @param  none* @retval none*/
static void i2c_Delay(void)
{uint8_t i;/**AT32F425F6P7,*i = 100,SCL = 163.4KHZ,6.1us*i = 75, SCL = 243.9KHZ,4.1us*i = 50, SCL = 312.5kHZ,3.2us*/for(i=0;i<100;i++);
}

hw_i2c_START()

/*** @name   hw_i2c_START* @brief  start signal for i2c simulation* @param  none* @retval none*/void hw_i2c_START(void){I2C_SDA_H();I2C_SCL_H();i2c_Delay();I2C_SDA_L();i2c_Delay();I2C_SCL_L();i2c_Delay();}

hw_i2c_ACK()

/*** @name   hw_i2c_ACK* @brief  ACK signal for i2c simulation* @param  none* @retval none*/
void hw_i2c_ACK(void)
{I2C_SDA_L();i2c_Delay();I2C_SCL_H();i2c_Delay();I2C_SCL_L();i2c_Delay();I2C_SDA_H();}

hw_i2c_WaitAck()

/*** @name   hw_i2c_WaitAck* @brief  Wait ACK signal for i2c simulation* @param  none* @retval uint8_t tempRe：Get slave ack signal or not*/uint8_t hw_i2c_WaitAck(void)
{uint8_t tempRe;I2C_SDA_H();                //MCU(master) set SDA Highi2c_Delay();I2C_SCL_H();                //MCU(master) send a new SCL signal, slave device should return an Ack signali2c_Delay();tempRe = I2C_SDA_READ();    //MCU(master) read SDA state(1 or 0)I2C_SCL_L();i2c_Delay();return tempRe;
}

hw_i2c_NACK()

/*** @name   hw_i2c_NACK* @brief  Send NACK signal to slave for i2c simulation* @param  none* @retval none*/
void hw_i2c_NACK(void)
{I2C_SDA_L();I2C_SCL_H();i2c_Delay();I2C_SDA_H();
}

hw_i2c_STOP()

/*** @name   hw_i2c_STOP* @brief  Send STOP signal to slave for i2c simulation* @param  none* @retval none*/
void hw_i2c_STOP(void)
{I2C_SDA_L();I2C_SCL_H();i2c_Delay();I2C_SDA_H();i2c_Delay();
}

lib_i2c_SendByte()

/*** @name   lib_i2c_SendByte* @brief  Send Byte from master by simulation of i2c* @param  DataByte:data* @retval none*/
void lib_i2c_SendByte(uint8_t DataByte)
{uint8_t i;for ( i = 0; i < 8; i++){if (DataByte & 0x80){I2C_SDA_H();}else{I2C_SDA_L();}i2c_Delay();I2C_SCL_H();i2c_Delay();I2C_SCL_L();if (i == 7){I2C_SDA_H();      //MCU(master) set SDA high}DataByte <<= 1;i2c_Delay();        }
}

lib_i2c_ReadByte()

/*** @name   lib_i2c_ReadByte* @brief  Read Byte from slave device by simulation of i2c* @param  none * @retval tempData:data*/
uint8_t lib_i2c_ReadByte(void)
{uint8_t i;uint8_t	tempData = 0;uint8_t	tempRe = 0;for(i = 0; i < 8; i++){tempData <<=1;I2C_SCL_H();i2c_Delay();tempRe = I2C_SDA_READ();if(tempRe){tempData++;}I2C_SCL_L();i2c_Delay();}return tempData;
}

lib_i2c_ReadMutiBytes()

/*** @name   lib_i2c_ReadMutiBytes* @brief  Read Muti Bytes data from slave device* @param  slave_address* @param  reg_address* @param  pdatabuf* @param  len* @retval tempRe:whether read data successfully or not*/
uint8_t lib_i2c_ReadMutiBytes(uint8_t slave_address, uint8_t reg_address, uint8_t* pdatabuf, uint8_t len)
{uint8_t tempData;		uint8_t tempRe = 0;uint8_t cnt = 0;uint8_t tempaddr_W = slave_address<<1;uint8_t tempaddr_R = tempaddr_W + 1;do{/* 1st:i2c start signal */hw_i2c_START();/* 2nd:write slave device address, bit0 is a read-write control bit, 0 for write, and 1 for read */lib_i2c_SendByte(tempaddr_W);/* 3rd:wait ack from slave device */tempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}/* 4th:send target register address */lib_i2c_SendByte(reg_address);/* 5th:wait Ack from slave device */stempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}/* 6th:send a start signal to reset i2c bus, and then start to read data from slave device */hw_i2c_START();/* 7th:Send a read command(bit0) for the slave address */lib_i2c_SendByte(tempaddr_R);/* 8th:wait Ack from slave device */tempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}			//9th:read data by loopfor(cnt = 0; cnt < len; cnt++){pdatabuf[cnt] = lib_i2c_ReadByte();    //read 1 byte/* After reading each byte, an Ack needs to be sent, except for the last byte, which requires a Nack */if(cnt != len - 1){/* After the middle byte is read, the CPU generates the ACK signal (Drive SDA = 0) */hw_i2c_ACK();}else{/* After reading the last byte, the CPU generates the NACK signal (drive SDA = 1) */hw_i2c_NACK();}}}while(0);/* Send I2C bus stop signal */hw_i2c_STOP();if(tempRe){tempRe = 0;}else{tempRe = 1;}return tempRe;
}

lib_i2c_WriteSingleByte()

/*** @brief  write single byte through the i2c1(For M1) by sofyware simulation.* @param  slave_address: address of tagert slave device* @param  reg_address: address of tagert register* @param  pdata: pointer to the data* @retval tempRe: Write data successfully or not*/
uint8_t lib_i2c_WriteSingleByte(uint16_t slave_address, uint16_t reg_address, uint8_t pdata)
{uint8_t tempRe = 0;uint8_t tempData = pdata;uint16_t tempaddr = slave_address<<1;do{hw_i2c_START();lib_i2c_SendByte(tempaddr);tempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}lib_i2c_SendByte(reg_address);tempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}lib_i2c_SendByte(tempData);tempRe = hw_i2c_WaitAck();if (tempRe){							// the return value is 1 ,that is to say SDA is not lowwed. the target ist8310 doesn't Ackbreak;}hw_i2c_STOP();} while (0);return tempRe;
}

小结

因为用的芯片硬件IIC的底层官方函数一直卡死跑不通，于是干脆自己整理了一套软件模拟IIC的相关流程和函数，已经在项目中顺利调通了，项目换芯片也经历过不同芯片的移植，也很方便。

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