STM32F10x学习笔记—GPIO模拟I2C通讯AT24C02第一篇之IO模拟的初始化

在STM32的库函数应用中，很少使用硬件I2C，大部分时间我们都会应用模拟IO的高低电平，来仿I2C总线。这是因为，首先模拟IO的灵活性大，任意两个IO就可以；其次，硬件I2C的BUG比较多，偶会会出现不知名问题和故障。那么，从这章开始我们学习模拟I2C来通信AT24C02。

• IO的初始化

代码如下：

void eeprom_I2C_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  /*使能时钟 */
  RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  
/*****************这里可以是任意IO*******************/
  /* 初始化SCL和SDA*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6    ;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;          // SCA
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;          // SDA
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);     
}

固定的初始化格式，模拟IO的时候 IO的模式为 开漏输出。其他根据引脚来配置。

二．I2C总线的GPIO模拟

1. 我们首先看下I2C总线协议，我们知道I2C总线每次通信的开始，都是来源于起始信号；每次通信的结束来源于停止信号。如下图1所示。

图1 I2C的开始和停止信号

        从图1中我们看到，开始信号是在SCL为高电平的时候，SDA从高电平到低电平；停止信号与开始信号相反，SLC为高电平的时候，SDA从低电平到高电平。

首先在在对应的.h文件中定义宏：

#define eeprom_I2C_SCL_Set        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)
#define eeprom_I2C_SCL_Reset      GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)

#define eeprom_I2C_SDA_Set        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6)
#define eeprom_I2C_SDA_Reset      GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6)

#define eeprom_I2C_SDA_Read() GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)

我们定义 ..Set 为高电平；..Reset为低电平；..Read（）为读取IO状态。

有了宏定义，我们根据图1，模拟开始信号，代码如下：

void eeprom_I2C_Start(void)
{
 /*****I2C的起始信号：SCL在高电平时候，SDA从高电平到低电平，然后SCL变低电平***********/
        eeprom_I2C_SDA_Set;   //  SDA至高电平
	eeprom_I2C_SCL_Set;   // SCL至高电平	
        delay_for_eeprom();   //  这里的延迟是考虑，CPU执行快，需要等待上面完成结果。
	eeprom_I2C_SDA_Reset;  // SDA产生低电平 	
	delay_for_eeprom();	
	eeprom_I2C_SCL_Reset;  // 拉低SCL
	delay_for_eeprom();
}

中间延迟函数，是非精准延迟函数，根据经验测试而来，大家可以自己修改时间进行尝试，主要为了等待执行结果。图1中起始信号最后并没有拉低SCL信号，这里拉低了是因为按照SCL顺序都是持续循环的来，我们顺着周期来也就是该低电平了。

停止信号代码如下：

void eeprom_I2C_Stop(void)
{
	/*****I2C停止信号：SCL在高电平时候，SDA从低电平拉高*************/
	eeprom_I2C_SDA_Reset;
	eeprom_I2C_SCL_Set;
	delay_for_eeprom();
	eeprom_I2C_SDA_Set;
}

2. 有了其实启停信号后，我们还需要接收数据、发送数据、接收应答信号和发送应答信号。在看这些信号前，同样的我们先看I2C通信协议，我们首先看图2的数据有效性。

图2 I2C数据的有效性

从图2中可知，只有当SCL在高电平的时候，SDA的电平才会有效，在SCL为低的时候,SDA电平无效，也就是说，在SCL为低的时候，我们会变换SDA电平。

有了数据有效性的概念我们就可以学习，数据的发送和接收了。我们知道I2C每一次发送数据或者接收数据都是1个字节，8bit；我们首先看发送1个字节数据，代码如下：

void eeprom_I2C_SendByte(unsigned char Send_Buffer)
{
  unsigned char i;  
  for(i=0; i<8; i++)         //一个字节8位
  {
      if(Send_Buffer & 0x80)   // 0x80==1000 0000  也就是说罢Send_Buffer的最高位取出来
       {    
        eeprom_I2C_SDA_Set;    //最高位为1 发送高
       }
     else 
      {
      eeprom_I2C_SDA_Reset;    //最高位为0，发送低电平
      }     
     delay_for_eeprom();     
    /********考虑数据的有效性*************/ 
     eeprom_I2C_SCL_Set;     //数据都是在SCL高电平时候有效，在高电平时发送。
     delay_for_eeprom();
     eeprom_I2C_SCL_Reset;   //数据在SCL低电平时候 进行电平转换， 发送完毕后 进行拉低。    
    if (i==7)
    {
     eeprom_I2C_SDA_Set;      // 最后一位数据发送完毕后，总线拉高，表示总线空闲
    }
     Send_Buffer<<= 1;  // 左移1位 把下一位 移到最高位，进行发送前的准备。 下次循环开始进行判断最高位电平。
     delay_for_eeprom();
  }  
}

待发送的数据Send_Buffer，我们需要1位1位的发送，那么我们就需要把数据的每一位取出来然后发送出去。Send_Buffer&0x80 这个就是把最高位电平取出来。0x80二进制为10000000；Send_Buffer的最高位和10000000相与，Send_Buffer最高位为高即为高，为低即为低。发送后Send_Buffer向左位移1位，这样就这Send_Buffer第二位就位移到最高位在于0x80相与，如此循环直到Send_Buffer发送完毕。其他部分注释很明白了。

同样的我们接收数据道理是一样的。代码如下：

unsigned char eeprom_I2C_ReadByte(void)
{
   unsigned char i;
   unsigned char Read_Data=0;
  for(i=0; i<8; i++)         //一个字节8位  开始读取
  {
    Read_Data<<= 1; 		  //数据左移1位 为下一位数据做准备。
    eeprom_I2C_SCL_Set;    //数据有效性，高电平 数据有效。
    delay_for_eeprom();    
    if(eeprom_I2C_SDA_Read())       //读取当前电平值
     {
      Read_Data = Read_Data + 0x01;  //高电平时 +1
	//	 Read_Data++;  //与上面相同
     } 
    else
    {
      Read_Data = Read_Data;   //这一句可以省略
    }              
   eeprom_I2C_SCL_Reset;    //拉低SCL
	 delay_for_eeprom();
  }   
  return Read_Data;    //取完8bit数据后，返回该数据
}

每读取一次电平，存放到Read_Data，然后左移一位，然后在存放到Read_Data，直到循环完成。

3.我们在看下ACK应答信号的产生和非应答ACK信号的产生。ACK应答信号产生图3:

图3 ACK产生图

如图3所示，ACK应答信号的产生就是，在发送数据后，数据线拉低，并保持在SCL高电平期间。反之，非应答信号是在发送数据后，数据线保持高电平。因此，应答信号代码如下：

void eeprom_I2C_Ack(void)
{
	eeprom_I2C_SDA_Reset;  //产生应答信号
	delay_for_eeprom();	
	eeprom_I2C_SCL_Set;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();	
	eeprom_I2C_SCL_Reset;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();
	eeprom_I2C_SDA_Set;  //释放掉控制权
}

非应答信号的产生代码如下：

void eeprom_I2C_NAck(void)
{
	eeprom_I2C_SDA_Set;  //产生非应答信号
	delay_for_eeprom();	
	eeprom_I2C_SCL_Set;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();	
	eeprom_I2C_SCL_Reset;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();
}

最后我们还需要读取从机发送过来应答信号，前面我们知道ACK信号的产生，那么只需要读取SDA是否拉低就可以了。
代码如下:

signed char eeprom_I2C_ReadAck(void)
{
	signed char re_ack;	
	eeprom_I2C_SDA_Set;  //释放掉控制权
	delay_for_eeprom();
	eeprom_I2C_SCL_Set;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();
	if(!eeprom_I2C_SDA_Read())    //如果是低电平
	{
	 re_ack = 1;		           //接收到应答信号
	}
       else  re_ack = 0;         //如果是高电平 ，表示无应答信号	
	eeprom_I2C_SCL_Reset;  //数据的有效性
	delay_for_eeprom();
	return re_ack;	
}

其中re_ack=1时候 表示读取应答成功，反之失败。

到这里，模拟I2C基本状态我们已经学习完毕了，下一章节，我们在这基础上，学习完成 任意数据的读取和任意数据的写入，思维和硬件I2C是一样的。具体我们下章节见。