看时序图写I2C驱动

只看该作者 · 2024-3-26 14:48

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:53 编辑

很多人不知道怎么看着时序图写程序，下面结合一个非标准的I2C器件，教大家如何写一个高效的IO模拟I2C时序。

观察该时序，具备I2C的开始信号，I2C的结束信号，I2C的应答、非应答、响应应答，以及写字节和读字节的基本操作时序。

下面，我们一步一步分析。
1、I2C开始信号

观察时序图，在SCLK高电平的状态下，在SDIO产生一个下降沿是为开始信号。

复制



void I2C_Start()

{

  //设置I2C使用的两个引脚为输出模式

  pinMode(SCLK_PIN, OUTPUT);

  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);



  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个下降沿是为开始信号

  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);

  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);

  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);

}

上述代码即先将两个引脚设置为输出模式，然后在SCLK为高电平的时候在SDIO引脚输出一个下降沿。

只看该作者 · 2024-3-26 14:48

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:53 编辑

2、I2C停止信号
观察时序图，在SCLK为高电平的时候在SDIO引脚产生一个上升沿是为停止信号。

复制

void I2C_Stop()

{

  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);

  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个上升沿是为停止信号

  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);

  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);

  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);

}

这里采用的是Arduino编写的IO基本操作，你可以替换成任意单片机的IO操作。

由于整个过程SCLK引脚一直是输出状态，所以仅在开始信号中对SCLK初始化为输出模式，而过程中可能会修改SDIO的输入输出模式，所以其他的函数开头都要根据情况对SDIO引脚的模式进行设置。

通过三行代码实现在SCLK为高电平的时候在SDIO产生一个上升沿，实现停止信号。

只看该作者 · 2024-3-26 14:50

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:54 编辑

3、写字节操作
接下来，按照时序的顺序编写方便认读
I2C的读写字节是这么定义的：当时钟线为低电平的时候，允许修改数据线的电平状态，在时钟线为高电平的时候读取数据线的状态。
因为是写操作，因此我们要先将时钟线SCLK拉低，再修改SDIO的值，然后拉高时钟。拉高后，从机就会从总线上读取SDIO的状态，接着一位一位的这么发送。

复制

void I2C_Write(uint8_t dat)

{

  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);

  //拉低时钟线后可修改数据线的状态

  digitalWrite(SCLK_PIN, 0); 

  for(int i=0;i<8;i++)

  {

    digitalWrite(SDIO_PIN, (bool)(dat&0x80)); 

    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//在高电平时候送出数据

    dat=dat<<1;

    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低准备下一个位的数据发送

  }

}

上述代码正描述了这一情况：为了保证最后是低电平，这里将SCLK的第一次拉低放到循环外面，这样可以用最少的执行次数完成一个字节的写任务；同时，结束完一个字节写入后时钟线是低电平状态（时序图中写入的第一个字节为DeviceID，第二个字节为寄存器地址+读写位）。
写完一个字节后，从机会对写入事件进行应答，这个时候主级可以从总线上读取应答信号。

只看该作者 · 2024-3-26 14:50

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:54 编辑

4、读取从机应答引号
应答信号在写入完一个字节后的低电平后由从机送出，在时钟为高电平的时候可以读取出来，我们注意到写入自己操作后时钟线已经是低电平了，因此这个时候
只要拉高时钟线，接下来就可以读取应答信号，读取完应答信号根据时序图应该拉低时钟准备下一个字节的写入。

复制

bool I2C_RACK()

{

  bool ack;

  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);



  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//接收应答信号，当时钟拉高时候，从机送出应答信号

  ack = digitalRead(SDIO_PIN);

  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//读取完应答信号后拉低时钟。

  return ack;

}

如上代码所示，即为接收从机应答，拉高时钟，读取应答，再拉低，返回应答。如果从机应答了，这里会读取到一个低电平。
后面就是再写入一个寄存器+读写位的地址，参靠上面的写入操作。
写入寄存器地址后，紧跟着又一个接收从机应答信号，然后从机就会送出数据，送出的数据分高字节和低字节，高低字节间要有一个主机发送给从机的应答信号，这样从机酒知道主机收到了数据，就会送出后面的低字节数据。

只看该作者 · 2024-3-26 14:51

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:54 编辑

5、读字节操作
注意，前面说过，读写都是总线在时钟低电平时候修改数据线，在高电平送出。
因此，主机读取从机送来的数据仍然是在高电平时候读取。

复制

uint8_t I2C_Read()

{

  uint8_t dat=0;

  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);

  for(int i=0;i<8;i++)

  {

    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//读取数据时候是在时钟的高电平状态读取

    dat=dat<<1;

    if(digitalRead(SDIO_PIN))

    {

      dat=dat|1;

    }

    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低时钟线准备下一个位的读取

  }

  return dat;

}

操作过程是将SDIO数据线的IO设置为输入模式，准备读取，然后拉高时钟，读取数据，移位，拉低循环读取8位数据。
注意，操作完一个字节读取任务后，时钟线还是低电平。
读取完一个字节后，主机要给从机发送一个应答信号，这样从机会接着发低字节数据。

只看该作者 · 2024-3-26 14:52

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:55 编辑

6、主机发送应答信号给从机

复制

void I2C_ACK()

{

pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);

digitalWrite(SDIO_PIN, 0);//给从机发送应答信号，即拉低数据线，然后拉高时钟让从机读取该应答

digitalWrite(SCLK_PIN, 1);

digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//执行完应答后拉低时钟线，准备下一步动作。

}

拉低数据线，然后在高电平的时候让从机去读取，之后拉低时钟线准备下一步接收动作。
当再接收一个字节后，就读取完成了，这个时候就是产生一个非应答信号，然后发给总线结束信号，告诉从机一个读写周期结束了。

只看该作者 · 2024-3-26 14:52

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:55 编辑

7、主机非应答信号
什么是非应答信号呢？
就是接收完了数据，释放数据线，不去拉低数据线。

复制

void I2C_NACK()

{

  //非应答信号：即主机不再对从机进行应答，主机释放数据线，即拉高数据线，然后给时钟一个周期信号（拉高再拉低）

  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);

  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);

  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);

}

将SDIO引脚设置为输出，拉高数据线，即为释放数据线，然后拉高拉低时钟，即在时钟线产生一个时钟周期信号。
然后发送结束信号。结束信号在开头已经讲明，即在时钟线为高电平的状态下，在数据线产生一个上升沿。
观察以上代码没一个多余重复的操作动作，即完美的视线了时序图上的所有操作。
接下来就是利用上述的I2C成分进行对寄存器的读写操作了。

只看该作者 · 2024-3-26 14:53

本帖最后由小夏天的大西瓜于 2024-3-26 14:58 编辑

8、读寄存器
由于图中设备的DeviceID 为0x80，即直接写进来，从机判断是读还是写的字节在寄存器地址。
因此，将寄存器的地址左移一位，在末尾补上是读（1）还是写（0）。

复制

uint16_t read_reg(uint8_t reg)



{



  uint16_t dat=0;



  reg=(reg<<1)|1;



  I2C_Start();



  I2C_Write(0x80);



  I2C_RACK();



  I2C_Write(reg);



  I2C_RACK();



  dat=I2C_Read();



  dat=dat<<8;



  I2C_ACK();



  dat=dat|I2C_Read();



  I2C_NACK(); 



  I2C_Stop();



  return dat;



}

9、写寄存器操作

复制

void write_reg(uint8_t reg, uint16_t dat)



{



  reg=(reg<<1);



  I2C_Start();



  I2C_Write(0x80);



  I2C_RACK();



  I2C_Write(reg);



  I2C_RACK();



  I2C_Write(dat>>8);



  I2C_RACK();



  I2C_Write(dat&0xFF);



  I2C_NACK();



  I2C_Stop();



}

只看该作者 · 2024-3-26 14:57

最后，对寄存器读写函数测试。

复制



void setup() 

{

  Serial.begin(115200);

  Serial.println("Hello I2C");

  write_reg(0x02,0x2250);

  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);

  write_reg(0x02,0x2281);

  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);

}



void loop() 

{



}