STM32的GPIO模拟IIC时序——“手撸”时序

硕果磊磊 · 发表于 2022-1-14 16:17:05

本帖最后由硕果磊磊于 2022-1-14 16:42 编辑

STM32的GPIO模拟IIC时序
背景：使用单片机（master）GPIO模拟IIC时序，读取CP3000（slave）状态字，CP3000是一种一次电源，支持PMbus总线协议。
说明：使用GPIO模拟IIC，GPIO模式必须设置为开漏模式。原因是slave产生clock stretch时会拉低SCL，master此时要拉高SCL（一般用来当做SCL的GPIO都有上拉电阻，不会短路），但如果GPIO是推挽模式，会产生一个半高时钟，不会将SCL完全拉低；只有GPIO配置为开漏模式，输出高阻作为高电平，在slave拉低SCL时才会真正的变为低。

1、IIC简介
I2C，即Inter-Integrated Circuit，是一种常用的串行通信协议，用于在器件之间——特别是两个或两个以上不同电路之间建立通信。I2C总线由一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）组成。设备分主从，主设备提供时钟，并发起操作。

● SDA是供主器件和节点发送和接收数据的线路。

● SCL是承载时钟信号的线路。SCL总是由I2C主器件生成。规范对时钟信号的低相位和高相位有最短周期要求。

2、PMBus简介

PMBus是一种基于I2C而扩展出来的协议。它定义了电源控制和管理组件所需的一组命令和数据结构。有一些更为复杂的操作，但是原理都还是基于I2C的。

3、PMBus与IIC对比

PMBus IIC

最大传输速度 100kHz                                        最大传输速度400kHz
最小传输速度 10kHz                                        无最小传输速度
高为1.4V，低为0.6V                                        高为0.7Vdd，低为0.3Vdd
35ms时钟低超时                                              无时钟超时
固定的逻辑电平                                                 逻辑电平由VDD决定
不同的地址类型(保留、动态等)                      7位、10位和广播呼叫从地址类型
不同的总线协议（快速命令、处理呼叫等)       无总线协议

4、时序

（1）等待clock stretch

slave在准备数据时会拉低SCL（时钟延伸clock stretch）。master检测clock stretch采用拉高SCL，同时读取SCL的值来判断是否结束了clock stretch。实际测试中发现，单独将检测clock strech操作拉出，会产生一个时钟，导致时序紊乱。在可能产生clock stretch的时序，如开始信号，读写操作都有将SCL拉高操作改为IIC_Wait_ClkStretch()。

int IIC_Wait_ClkStretch(void)
{
int time=0;
IIC_SCL=1;
delay_us(2);//1
while( 0 == READ_SCL )
{
time++;
delay_us(5);//1
IIC_SCL=1;
if(time > 5000 )
{
return -1;
}
}
return 0;
}

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（2）开始信号

开始时先将SCL和SDA拉低，钳住总线（也可以不用），然后在SCL高电平期间产生一个SDA低跳变。其中我将拉高SCL改为IIC_Wait_ClkStretch()。因为在发送第二段开始信号之前可能slave产生clock stretch（时钟延时）。

int IIC_Start(void)
{
int res = 0;
SDA_OUT(); //sda线输出
IIC_SDA=0;
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SDA=1;
res = IIC_Wait_ClkStretch();
if(res < 0 )
{
return -1;
}
delay_us(5);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(5);
IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
return 0;
}

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（3）停止信号

在SCL高电平期间产生一个SDA低跳变。

void IIC_Stop(void)
{
//int res;
SDA_OUT();//sda线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(5);
IIC_SCL=1;
delay_us(1);
IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
delay_us(4);
}

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（4）等待ACK

在SCL高电平期间，读取SDA电平，SDA为高表示NACK，SDA为低表示ACK。此函数采用超时等待ACK，否则发送停止信号。

int IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(4);
IIC_SCL=1;delay_us(4);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return -1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出0
delay_us(4);
return 0;
}

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（5）应答信号

在SCL高电平期间，SDA为高表示NACK，SDA为低表示ACK。

//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SCL=0;
}

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（6）读操作

读一个字节，每次读取时先将SCL拉低钳住总线，再拉高SCL，延时一段，在时钟中段读取SDA。

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
int IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
int res;
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(3);//2
res = IIC_Wait_ClkStretch();
if(res < 0 )
{
return -1;
}
delay_us(1);//2
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);//1
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}

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（7）写操作

写一个字节，每次先准备数据，准备好数据后，延时一段，再操控SCL产生一个时钟，保证SCL高电平期间，SDA电平达到稳定状态。

int IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
int res;
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
//IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
if((txd&0x80)>>7)
IIC_SDA=1;
else
IIC_SDA=0;
txd<<=1;
delay_us(2); //对TEA5767这三个延时都是必须的
//IIC_SCL=1; //修改为等待clock stretch
res = IIC_Wait_ClkStretch();
if(res < 0 )
{
return -1;
}
IIC_SCL=0;
delay_us(4);
}
return 0;
}

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5、IIC时序波形

GPIO模拟IIC波形图

总结：

此次操作难点在于clock stretch识别，最开始使用树莓派GPIO模拟IIC，由于树莓派GPIO无法设置开漏模式，导致电平无法输出高阻，形成半高时钟，最后被识别为高电平，导致时序紊乱；不过最后使用STM32单片机完成了这一“壮举”，虽说网上GPIO模拟IIC代码到处都是，但是亲自按照协议“撸”时序还是会遇到很多困难，本次模拟还是值得记录的。