STM32 软件I2C读写

只看该作者 · 2025-2-8 21:15

一、引言
I2C（Inter - Integrated Circuit）是一种串行通信协议，常用于连接微控制器和各种外围设备，如传感器、EEPROM 等。在 STM32 开发中，除了使用硬件 I2C 接口，还可以通过软件模拟的方式实现 I2C 通信。软件 I2C 具有灵活性高、不受硬件资源限制等优点，适用于各种需要自定义通信时序的场景。本文将详细介绍 STM32 软件 I2C 读写的实现方法，并给出相应的代码示例。

二、I2C 协议基础
2.1 物理层
I2C 总线由两根线组成：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。所有连接到 I2C 总线上的设备都通过这两根线进行通信，并且每个设备都有一个唯一的 7 位或 10 位地址。

2.2 协议层
I2C 通信基于主从模式，主设备负责发起通信并控制时钟信号，从设备根据主设备的指令进行响应。通信过程主要包括起始条件、地址帧、数据帧、应答信号和停止条件。

起始条件：SCL 为高电平时，SDA 由高电平变为低电平，表示通信开始。
地址帧：主设备发送从设备的地址，其中最低位表示读写方向（0 为写，1 为读）。
数据帧：主设备和从设备之间传输数据，每次传输一个字节。
应答信号：每传输一个字节后，接收方需要发送一个应答信号（ACK）或非应答信号（NACK）。
停止条件：SCL 为高电平时，SDA 由低电平变为高电平，表示通信结束。
三、STM32 软件 I2C 实现步骤
3.1 引脚初始化
选择两个 GPIO 引脚分别作为 SDA 和 SCL，并将它们初始化为开漏输出模式。

3.2 起始条件和停止条件的实现
通过控制 SDA 和 SCL 引脚的电平变化来产生起始条件和停止条件。

3.3 数据传输和应答信号处理
逐位发送和接收数据，并处理应答信号。

3.4 读写操作的实现
根据 I2C 协议，实现主设备对从设备的读写操作。

四、代码实现
4.1 引脚定义和初始化
#include "stm32f10x.h"

// SDA 和 SCL 引脚定义
#define I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_6
#define I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_7
#define I2C_GPIO_PORT GPIOB

// 引脚初始化函数
void I2C_GPIO_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

// SCL 引脚初始化
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

// SDA 引脚初始化
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SDA_PIN;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

// 初始状态 SCL 和 SDA 都为高电平
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN);
}

4.2 起始条件和停止条件的实现
// 产生起始条件
void I2C_Start(void) {
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(5);
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
delay_us(5);
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
}

// 产生停止条件
void I2C_Stop(void) {
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(5);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
delay_us(5);
}

4.3 数据传输和应答信号处理
// 发送一个字节数据
void I2C_SendByte(uint8_t byte) {
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
      if (byte & 0x80) {
         GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
      } else {
         GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
      }
      byte <<= 1;
      delay_us(2);
      GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
      delay_us(5);
      GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
      delay_us(2);
}
}

// 接收一个字节数据
uint8_t I2C_ReceiveByte(void) {
uint8_t i, byte = 0;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 将 SDA 引脚设置为输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

for (i = 0; i < 8; i++) {
      GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
      delay_us(5);
      byte <<= 1;
      if (GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN)) {
         byte |= 0x01;
      }
      GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
      delay_us(2);
}

// 将 SDA 引脚恢复为输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

return byte;
}

// 发送应答信号
void I2C_SendACK(void) {
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
delay_us(2);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(5);
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(2);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
}

// 发送非应答信号
void I2C_SendNACK(void) {
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
delay_us(2);
GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(5);
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(2);
}

// 等待应答信号
uint8_t I2C_WaitACK(void) {
uint8_t ack;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 将 SDA 引脚设置为输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(5);
ack = GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN);
GPIO_ResetBits(I2C_GPIO_PORT, I2C_SCL_PIN);
delay_us(2);

// 将 SDA 引脚恢复为输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

return ack;
}

4.4 读写操作的实现
// 写数据到从设备
uint8_t I2C_WriteData(uint8_t slaveAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data) {
I2C_Start();
I2C_SendByte(slaveAddr << 1); // 发送从设备地址（写模式）
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}
I2C_SendByte(regAddr); // 发送寄存器地址
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}
I2C_SendByte(data); // 发送数据
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}
I2C_Stop();
return 0;
}

// 从从设备读取数据
uint8_t I2C_ReadData(uint8_t slaveAddr, uint8_t regAddr, uint8_t *data) {
I2C_Start();
I2C_SendByte(slaveAddr << 1); // 发送从设备地址（写模式）
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}
I2C_SendByte(regAddr); // 发送寄存器地址
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}

I2C_Start();
I2C_SendByte((slaveAddr << 1) | 0x01); // 发送从设备地址（读模式）
if (I2C_WaitACK()) {
      I2C_Stop();
      return 1;
}
*data = I2C_ReceiveByte();
I2C_SendNACK();
I2C_Stop();
return 0;
}

4.5 主函数示例
int main(void) {
uint8_t data;

I2C_GPIO_Init();

// 写数据到从设备
if (I2C_WriteData(0x50, 0x00, 0xAA) == 0) {
      // 写成功
}

// 从从设备读取数据
if (I2C_ReadData(0x50, 0x00, &data) == 0) {
      // 读成功
}

while (1) {
      // 主循环
}
}

五、代码解释
引脚初始化：将 SDA 和 SCL 引脚初始化为开漏输出模式，确保在通信过程中可以正确控制引脚电平。
起始条件和停止条件：通过控制 SDA 和 SCL 引脚的电平变化，产生起始条件和停止条件，标志着通信的开始和结束。
数据传输和应答信号处理：I2C_SendByte 和 I2C_ReceiveByte 函数用于逐位发送和接收数据，I2C_SendACK、I2C_SendNACK 和 I2C_WaitACK 函数用于处理应答信号。
读写操作：I2C_WriteData 函数用于向从设备的指定寄存器写入数据，I2C_ReadData 函数用于从从设备的指定寄存器读取数据。
主函数：在主函数中调用 I2C_WriteData 和 I2C_ReadData 函数进行读写操作。
六、注意事项
延时函数：代码中使用了 delay_us 函数进行延时，需要根据实际情况实现该函数，以确保通信时序的正确性。
从设备地址：在进行读写操作时，需要根据从设备的实际地址进行设置。
引脚电平：在读取 SDA 引脚状态时，需要将其设置为输入模式；在发送数据时，需要将其恢复为输出模式。
通过以上代码和解释，我们可以实现 STM32 软件 I2C 的读写功能，满足不同应用场景的需求。
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