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[操作系统] 模拟I2C通信 [复制链接]

duyonghong

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1楼 [收藏(0)] [报告]
发表于 2016-03-30 17:58 |只看该作者 |倒序浏览
本帖最后由 duyonghong 于 2016-03-30 17:56 编辑

    近来做一个小项目，需要用到4个I2C接口，无奈MCU(增强版8051内核)接口不够，只能使用I/O口模拟I2C通信，做下来也算是温故知新，总想着写点东西出来，一来算是小小的个人体会，二来希望有所帮助。当然，有任何疏漏、不足之处，希望一起交流学习。
一、        概述
    I2C是由Philips公司开发的串行总线，主要用于MCU与外部设备通信，简单有效，且支持多主控仲裁，使用范围极其广泛。

二、        硬件构成
    I2C总线是由SDA数据线和SCL时钟线构成，实现数据双向传递，时钟频率可达400KHz。其中，SDA和SCL引脚需要接上拉电阻(内部上拉亦可)，调试时用示波器观察调试I2C波形。


三、        时序图
    1.        通信过程
    master(主机)向I2C总线上发送一个8位slave地址，总线上I2C为该地址的slave(从机)收到数据后发送一个应答信号，此时双方建立联系，从而依据I2C总线时序图可进行数据通信。其中，salve地址由7bit从机地址+R/W构成，简要时序图如下：


    2.时序图分析
    由I2C时序图可知，SDA引脚信号(0或1)在SCL为高电平时被采样，SDA引脚信号在SCL为低电平时可发生改变。其中通信过程中主要包括三种信号：起始信号、终止信号和应答信号。
    起始信号：SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平，表示数据传输开始；
    终止信号：SCL保持高电平，SDA由低电平变为高电平，表示数据传输结束；
    应答信号：slave收到8bit数据后，获得SDA控制权，下一个采样周期将SDA拉低


    (说明：信号跳变和时钟采样具体时序要求需要查询I2C通信协议)
四、        模拟通信代码(具体代码、注释和文件介绍)
    熟悉I2C通信协议和时序图之后，接下来便是具体的编程操作，具体问题具体分析，如下所示。
    写时序：
    START->从设备地址->ACK->从设备寄存器地址->ACK->写入的数据->ACK->STOP
    读时序：
    START->从设备地址->ACK->从设备寄存器地址->ACK->接收的数据->ACK->STOP

1. START信号
/*
*起始函数，发起I2C通讯
*/
static void Start_I2C(void)
{
        SIMU_SDA = 1;
        asm("nop";asm("nop";asm("nop";asm("nop";asm("nop";
       
        SIMU_SCL = 1;
        asm("nop";asm("nop";asm("nop";asm("nop";asm("nop";
       
        SIMU_SDA = 0;        //Falling Edge
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        SIMU_SCL = 0;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
       
}


2. STOP信号
/*
*停止函数，结束I2C通讯
*/
static void Stop_I2C(void)
{
        SIMU_SDA = 0;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
       
        SIMU_SCL = 1;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        SIMU_SDA= 1;        //Rising Edge
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
}

3. 应答信号
/*
*应答函数，I2C通讯标志位
*/
static void Ack_I2C(uint8 enable)
{
        if(enable)        //No Ack Signal
        {
                SIMU_SDA = 1;
        }
        else                //Ack Signal
        {
                SIMU_SDA = 0;
        }
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");

        SIMU_SCL = 1;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
       
        SIMU_SCL = 0;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
       
}

4. 发送单字节
/*
*发送1byte数据
*/
static void Send_Byte(uint8 data)
{
        uint8 bitcnt = 0;

        //for(bitcnt = 0; bitcnt < sizeof(uint; bitcnt ++)----Cautions!!! - the result of sizeof(uint is 1 byte not 8
        for(bitcnt = 0; bitcnt < 8; bitcnt ++)
        {
                if((data << bitcnt)&0x80)
                {
                        SIMU_SDA = 1;
                }
                else
                {
                        SIMU_SDA = 0;
                }
               
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");

                SIMU_SCL = 1;
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");

                SIMU_SCL = 0;
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        }

        SIMU_SDA = 1;        //Release SDA Line
        Simu_SDA_DIR(SIMU_SDA_INPUT);        //Set SDA To Input
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        SIMU_SCL = 1;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
       
        if(SIMU_SDA)
        {
                ack = 1;
        }
        else
        {
                ack = 0;
        }
        SIMU_SCL = 0;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
        Simu_SDA_DIR(SIMU_SDA_OUTPUT);        //Set SDA To Output
       
}

5. 接收单字节
/*
*接收1byte数据
*/
static uint8 Rcv_Byte(void)
{
        uint8 data[8] = {0x0};
        uint8 data_tmp = 0;
        uint8 bitcnt = 0;
       
        Simu_SDA_DIR(SIMU_SDA_INPUT);        //Set SDA to Input

        for(bitcnt = 0; bitcnt < 8; bitcnt ++)
        {
                SIMU_SCL = 0;
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                SIMU_SCL = 1;
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");
                asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");

                //data_tmp == (data_tmp << 1);
                data_tmp = (data_tmp << 1);
                if(SIMU_SDA)
                {
                        data_tmp ++;
                        data[bitcnt] = 1;
                }
        }

        SIMU_SCL = 0;
        asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");

        Simu_SDA_DIR(SIMU_SDA_OUTPUT);
        return(data_tmp);
}

6. 发送函数
/*
*发送函数
*/
uint8 simu_i2c_send_byte(uint8 slave_addr,uint8 reg_addr, uint8 data)        //Caution:slave_addr is a 7-bit I2C address
{
        slave_addr = ((slave_addr << 1) &(0xFE));        //Make sure the lowest bit is 0
       
        Start_I2C();
        Send_Byte(slave_addr);
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }
       
        Send_Byte(reg_addr);
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }

        Send_Byte(data);
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }

        Stop_I2C();
       
        return(SIMU_I2C_SUCCESS);
}

7. 接收函数
/**/
uint8 simu_i2c_rcv_byte(uint8 slave_addr,uint8 reg_addr, uint8 *data)
{
        slave_addr = ((slave_addr << 1) &(0xFE));        //Make sure the lowest bit is 0

        Start_I2C();
        Send_Byte(slave_addr);
       
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }

        Send_Byte(reg_addr);
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                dprintf("%s,%d---ACK failed",__FUNCTION__,__LINE__);
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }

        Start_I2C();
        Send_Byte(slave_addr + 1);
        if(ack == ACK_FAILED)
        {
                return (SIMU_I2C_FAIL);
        }
       
        (*data) = Rcv_Byte();
        Ack_I2C(ACK_SUCCESS);
        Stop_I2C();

        return(SIMU_I2C_SUCCESS) ;
}
五、        总结


    对于模拟I2C通讯，具体延迟需要查询I2C标准时序。当然，具体延时函数跟板子时钟有关，需要特别注意。



I2C, 模拟I2C, 时序图
xinjitmzy

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2楼 [报告]
发表于 2016-04-22 16:26 |只看该作者
nop整成函数呗
实战分享：从技术角度谈机器学习入门| 【大话IT】RadonDB低门槛向MySQL集群下战书 | ChinaUnix打赏功能已上线！ | 新一代分布式关系型数据库RadonDB知多少？
xinjitmzy

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3楼 [报告]
发表于 2016-04-22 16:28 |只看该作者
觉得iic主要就是根据手册来决定delay的时间，模拟比硬件好控制
实战分享：从技术角度谈机器学习入门| 【大话IT】RadonDB低门槛向MySQL集群下战书 | ChinaUnix打赏功能已上线！ | 新一代分布式关系型数据库RadonDB知多少？
myforever

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4楼 [报告]
发表于 2016-05-23 22:43 |只看该作者
代码用<>框起来阿

楼主很有心，多谢分享了
实战分享：从技术角度谈机器学习入门| 【大话IT】RadonDB低门槛向MySQL集群下战书 | ChinaUnix打赏功能已上线！ | 新一代分布式关系型数据库RadonDB知多少？
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