实现嵌入式硬件通信IIC接口管理、IIC时序

geren2014

本文将要讲解和实现的内容主要分为两个部分：代码实现IIC接口管理、代码实现IIC时序。
IIC接口管理
接口管理的目的是想在后期扩展时，一个工程里可使用多个IIC接口。
这里暂不考虑使用复杂的数据结构，仅仅采用简单的宏定义，放在头文件中，省去麻烦的内存申请、分配这一些操作。
以IIC接口序号“1”开始向后排，新增IIC接口时，直接参考当前示例来定义后续的IIC接口序号和管脚即可：
#define IIC_1                    1
#define IIC1_PORT_SCL    PORTB
#define IIC1_PIN_SCL       6
#define IIC1_PORT_SDA   PORTA
#define IIC1_PIN_SDA      2
此处要实现的，依然是位于BSP层的IIC模块代码，这个层介于芯片驱动（寄存器）和应用库之间，要考虑到在后期的移植开发，此IIC模块可能由IO模拟，也可能由芯片厂商提供的驱动demo实现，所以这里所封装出来的BSP层接口，一定要考虑到后期的扩展。
所以这里的做法是把参数都放在函数中传递，并且均设计成带有uint8_t类型的函数返回值。这里如此设计的原因和习惯问题，可以参考《【嵌入式编程】函数返回类型设计》一文。
打开STM32CubeMX工具可以看到，在配置IIC接口时，参数可配置内容如下截图：

参考以上，暂且在结构体中定义：地址位宽、时钟速率，来定义一个IIC接口对象。如下头文件中的bsp_iic_obj_t结构体类型。

IIC时序
从上一篇《嵌入式硬件通信接口协议-IIC（一）协议基础》中，我们知道IIC的时序中有这几种信号特征，现在就根据这几个信号特征，用代码逐一实现。

实际上在互联网上已经有很多关于IIC时序模拟的实现代码，最简单的可以从github开源社区、百度百科、各类技术网站，具体到很多的技术论坛都有IIC应用实例，都能找到IIC接口的源码。
因此IIC时序的模拟已经大同小异了，然而在这里再“造轮子”的目的是，集成、优化、完善自有项目BSP层的代码，提高项目的扩展性和应用，对屡清代码的整体框架也有很大帮助！
说白了也是想把这篇文章写详细些。废话少说，立即上码：
起始标志：


这段起始标志的代码，思路很简单，首先确保SDA所使用的IO引脚为输出，在本BSP层的IIC模块中使用了iic_set_io(iic_n, 0);函数，将指定IIC接口序号的SDA管脚设为输出，之后的电平设置，就是完成信号时序的过程。
结束标志


思路类似于上，略。
数据输出


如上示例发送一个16进制数据0xDC的时序示意图，最重要的原则是：SCL为低电平时，才可以改变SDA输出数据；SCL为高电平时，必须SDA不抖动不改变。

代码实现的过程，类似于SPI模拟时类似，数据位“踩着”时钟逐bit被输出，每输出一bit就要对数据进行移位“buf <<= 1;”，这样在下一个SCL低电平时候输出下一个bit。
完成输出后立即对SDA的IO管脚设为输入模式，即调用iic_set_io(iic_n, 1);函数来实现。
数据采样
类似于数据发送，逐bit踩着SCL接收。这里的数据采样，就是IIC主机接收来自外设器件发来的数据，最重要的原则是：SCL为低电平时，做延时等待保证SDA数据稳定；SCL为高电平时，读取SDA的IO管脚电平。

应答ACK/NACK

从时序图可以看到，应答位的ACK和NACK区别在于,第9个SCL高电平期间，SDA所呈现的电平状态不同。
从上篇文章我们可以知道，IIC总线的电路连接，一般地SCL和SDA都有上拉电阻Rp，也就是说如果IIC从机设备，由于不存在（硬件未焊接）、出故障（烧坏）或者其他原因，导致没有信号产生的时候，此时SDA会处于NACK的状态，也就是IO管脚电平被上拉电阻拉高了，可以理解为“默认”电平，没有“回应”。
应答的目的，就是“接收方”告知“发送方”，我已正常收到刚刚发来的数据。

等待应答ACK
既然是应答，就有两向性：IIC从机应答IIC主机；IIC主机应答IIC从机。
上图的应答ACK/NACK都是IIC主机主动输出的，是用来告知从机“我主机已正常收到”。
而IIC从机告知主机的应答ACK，这里要用等待ACK的概念，主机通过读取SDA管脚电平来检测ACK信号。

以上是利用GPIO管脚模拟实现的时序，封装成DigCore_Embed嵌入式软件架构的BSP层接口，对上层提供IIC硬件接口，向下操作GPIO和时序的模拟。移植过程中可以根据目标平台，在上述这些已经封装好的接口内，做适当调整。
比如采用官方Demo程序代替GPIO模拟方案，只需要修改这以上接口中的代码即可，对于上层应用库，不论是温湿度传感器SHT20，还是EEPROM存储芯片AT24C1024B，甚至是BS81163-A的触摸键盘芯片，这几个使用了BSP层的IIC接口，这些代码都无需改动。
这就是嵌入式软件的分层设计思想的优势。
以上函数内部所调用的接口，都是当前BSP层里IIC模块源码中的静态函数：

总结，IIC时序的模拟，主要思路是根据IIC时序特点，在对应的信号后面做对应的时延，以达到时序的展现！难点之处就是把IIC时序拆解成多个信号特征进行模拟时，如果对信号时序图了解不深，在对比代码时比较绕，需要静下心仔细核对！

以上代码仅仅完成初步的编写和整理，未在具体外设上验证。此BPS层的IIC模块最终源码，敬请期待下回分享出来！