?GPIO實(shí)現(xiàn)I2C從機(jī)的設(shè)計(jì)

在本階段的工作中，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)由GPIO模擬的I2C從機(jī)工程設(shè)計(jì)，以前只使用GPIO模擬I2C設(shè)計(jì)過主機(jī)，對(duì)于從機(jī)的設(shè)計(jì)，還是首次。下面就講本次工作中從機(jī)設(shè)計(jì)思想做詳細(xì)記錄。

I2C的簡(jiǎn)單總結(jié)

對(duì)于I2C信號(hào)，需要有START，STOP，ACK，NACK，以及接收DATA。接收DATA是在SCL的低電平可能發(fā)生跳變，START和STOP是在高電平跳變。當(dāng)SCL保持高電平的時(shí)候，SDA從H跳變到L，即為START；當(dāng)SCL保持高電平的時(shí)候，SDA從L跳變到H，即為STOP。

START信號(hào)： 
 
圖1

STOP信號(hào) 
 
圖2

ACK信號(hào) 
 
圖3

主機(jī)下發(fā)地址以及讀寫信號(hào) 

圖4

程序設(shè)計(jì)以及分析

//為所使用的硬件平臺(tái)的寄存器配置

#define WAIT_IIC_SCL_HIGH   while ( !GET_SCL_DAT )

#define WAIT_IIC_SCL_LOW    while ( GET_SCL_DAT )

#define WAIT_IIC_SDA_HIGH   while ( !GET_SDA_DAT )

#define WAIT_IIC_SDA_LOW    while ( GET_SDA_DAT )

#define IIC_WAIT_START      WAIT_IIC_SCL_HIGH;  WAIT_IIC_SDA_LOW    

#define IIC_WAIT_STOP       WAIT_IIC_SCL_LOW; SDA_IN; WAIT_IIC_SCL_HIGH; WAIT_IIC_SDA_HIGH 

#define IIC_SLAVE_SEND_LOW  WAIT_IIC_SCL_LOW; SDA_OUT; SET_SDA_LOW; WAIT_IIC_SCL_HIGH      

#define IIC_SLAVE_SEND_HIGH WAIT_IIC_SCL_LOW; SDA_OUT; SET_SDA_HIGH; WAIT_IIC_SCL_HIGH

#define IIC_SLAVE_SEND_ACK  IIC_SLAVE_SEND_LOW

#define IIC_SLAVE_SEND_NAK  IIC_SLAVE_SEND_HIGH

• 初始化

void iic_init(void)  // 完成GPIO作為I2C的初始化

完成GPIO時(shí)鐘寄存機(jī)配置等功能。

• 接收地址以及讀寫命令模塊

for(bitcount = 0; bitcount < 7; bitcount ++)

{

    WAIT_IIC_SCL_LOW;                   

    WAIT_IIC_SCL_HIGH;

    iic_slv_addr <<= 1;  //先移位，再讀數(shù)

    if(GET_SDA_DAT)

        iic_slv_addr |= 0x01;

    else

        iic_slv_addr |= 0x00;

}

iic_slv_addr <<= 1;

// 讀取7位地址

WAIT_IIC_SCL_LOW;

WAIT_IIC_SCL_HIGH;

if(GET_SDA_DAT)

    iic_master_rw = 1;

else

    iic_master_rw = 0;

// 讀寫標(biāo)志位

if (iic_slv_addr == SLAVE_ADDR)

    IIC_SLAVE_SEND_ACK;    // 地址正確，從機(jī)發(fā)送ACK信號(hào)

從機(jī)接收接口定義以及說明

uint8_t L_i2c_rx( uint8_t xdata *pDestBuf, uint16_t *wRecLen);

pDestBuf：接收數(shù)據(jù)保存的目的地址 wRecLen：實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

接收核心代碼分析

while(!recFinish)

{

    for(bitcount=0; bitcount<8; bitcount++)

    {

        while(GET_SCL_DAT);

        SDA_IN;

        while(!GET_SCL_DAT);

    r0 = GET_SDA_DAT;

    while(GET_SCL_DAT)

    {

        r1 = GET_SDA_DAT;

        if((r0 == 0) && (r1 == 1))

        {

            recFinish = 1;

            return 0;

        }

    }

    rxbyte <<= 1;

    if(r1)

        rxbyte |= 0x01;

    else

        rxbyte |= 0x00; 

}

buf[len] = rxbyte;

len++;

IIC_SLAVE_SEND_ACK;

在從機(jī)接收完地址以后，如果讀寫標(biāo)志位是寫（L），接下來，從機(jī)就會(huì)接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)完成的標(biāo)志為接收到了STOP信號(hào)，就必須在從機(jī)發(fā)完ACK后的第一個(gè)SCL高電平時(shí)檢測(cè)是否有SDA從H跳轉(zhuǎn)到L，如果發(fā)生了，接收程序結(jié)束，如果沒有發(fā)生跳變，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)的bit7，bit6，……bit0.

 
圖5

根據(jù)圖5，在時(shí)鐘節(jié)拍①中從機(jī)發(fā)送ACK信號(hào)以后，因?yàn)镚PIO的采樣頻率遠(yuǎn)大于I2C的始終頻率（設(shè)計(jì)中使用100K），所以需要在發(fā)送ACK后，要等待SCL變?yōu)長(zhǎng)，在上面的代碼中體現(xiàn)在c點(diǎn)，在時(shí)鐘節(jié)拍②中，SDA可能會(huì)發(fā)生變化。最重要的時(shí)需要在時(shí)鐘節(jié)拍③內(nèi)采樣SDA，判斷是否有變化（即從f到g中連續(xù)采樣SDA），如果發(fā)生了SDA從H到L，那么就認(rèn)為接收到了STOP信號(hào)，跳出接收數(shù)據(jù)的函數(shù)；如果發(fā)生SDA從L到H，會(huì)被認(rèn)為是一個(gè)異常的信號(hào)（START信號(hào)，但不應(yīng)該在此時(shí)出現(xiàn)，上段代碼中沒有處理此異常情況，請(qǐng)注意），同樣也需要跳出接收數(shù)據(jù)的函數(shù)；如果SDA沒有發(fā)生任何變化，同時(shí)等待到SCL發(fā)生由H到L的變化，則意味著接收到了下一字節(jié)的bit7……

這樣最核心的問題就變?yōu)樵鯓优袛嘣跁r(shí)鐘節(jié)拍③中SDA是否發(fā)生了變化，并且發(fā)生了怎樣的變化。設(shè)計(jì)的思想為：在f點(diǎn)（上升沿）后取第一個(gè)SDA的采樣值r0，遍歷時(shí)鐘節(jié)拍③直到g點(diǎn)（下降沿），連續(xù)采樣SDA的下一個(gè)采樣值r1，當(dāng)在時(shí)鐘節(jié)拍③內(nèi)，只要發(fā)生了r1 ！= r0的時(shí)候，馬上跳出接收數(shù)據(jù)程序。但如果r1 === r0，在檢測(cè)到h點(diǎn)的時(shí)候，才把r1賦值給接收字節(jié)rxbyte.

以上采樣能夠成功的一個(gè)前提是：SDA在SCL每一時(shí)鐘節(jié)拍的變化能夠被采樣到。

在此假設(shè)GPIO的時(shí)鐘為2MHz，SCL的傳輸速度為100KHz，時(shí)序關(guān)系如下圖所示：

圖6

上圖是比較理想的SCL的時(shí)鐘周期信號(hào)，在每半個(gè)SCL的時(shí)鐘周期中，有10個(gè)采樣點(diǎn)，這樣確保了SCL上升沿后的第一個(gè)GPIO采樣到了r0=0，也能在后5個(gè)采樣點(diǎn)中采到了r1=1，在這種情況下，不會(huì)發(fā)生任何錯(cuò)誤。

但是，實(shí)際情況并非如此，在GPIO模擬I2C的SCL信號(hào)中，占空比并不是50%，如果此時(shí)SDA的變化在GPIO第一個(gè)采樣沿之前就發(fā)生了變化，那么就無法采樣到正確的電平變化信號(hào)。

所以，以上設(shè)計(jì)方法能夠成功的前提為：SDA并不會(huì)在緊靠著SCL的上升沿或者下降沿而變化，也就是說SDA的任何變化，都能被GPIO的時(shí)鐘采樣到。

• 從機(jī)發(fā)送接口定義以及說明

uint8_t L_i2c_tx(const uint8_t xdata * pSendBuf, uint16_t wSendLen);

pSendBuf：發(fā)送數(shù)據(jù)緩存地址 wSendLen:發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

發(fā)送核心代碼分析

for(bytecount = 0; bytecount < len; bytecount ++)

{        

    txmask = 0x80;

    txbyte = buf[bytecount];

    for(bitcount = 0; bitcount < 8; bitcount ++)

    {

        WAIT_IIC_SCL_LOW;

        SDA_OUT;

        if ( txbyte & txmask )

            SET_SDA_HIGH;   

        else    

            SET_SDA_LOW;  

        WAIT_IIC_SCL_HIGH;

        txmask = txmask >> 1;       

    }

    WAIT_IIC_SCL_LOW;                                               

    SDA_IN;

    WAIT_IIC_SCL_HIGH;

    if ( GET_SDA_DAT )  

        break;

}

return (bytecount);

for(bytecount = 0; bytecount < len; bytecount ++)

{        

    txmask = 0x80;

    txbyte = buf[bytecount];

    for(bitcount = 0; bitcount < 8; bitcount ++)

    {

        WAIT_IIC_SCL_LOW;

        SDA_OUT;

        if ( txbyte & txmask )

            SET_SDA_HIGH;   

        else    

            SET_SDA_LOW;  

        WAIT_IIC_SCL_HIGH;

        txmask = txmask >> 1;       

    }

    WAIT_IIC_SCL_LOW;                                               

    SDA_IN;

    WAIT_IIC_SCL_HIGH;

    if ( GET_SDA_DAT )  

        break;

}

return (bytecount);

 
流程圖