分享C2000上使用GPIO模拟I2C通信

sick · 发表于 2020-12-22 23:49:02

I2C作为一种简单的数字通讯方式，仅需要两根数据线就可以完成近距离主机（Master）与从机(Slave)之间的通讯，节省了MCU引脚以及额外的逻辑芯片，简化了PCB布板难度，因此得到了广泛的应用。近年来，TI也推出了越来越多支持I2C通讯功能的芯片，大大简化了芯片与MCU之间的通讯，方便了系统的设计。

但在实际应用中，针对性能要求较低的应用场合，通常选择外设较为简单的低端主控MCU，可能并不具备I2C接口。对于此类应用，可以通过MCU的IO口进行I2C模拟，与被控器件建立通讯，达到发送控制指令、读取内部寄存器的目的。即使在I2C接口缺失的情况下也能够充分发挥器件的全部功能。

本文基于C2000提供了一种利用GPIO模拟I2C控制被控芯片的解决方案，并附有完整例程。对于绝大多数采用标准I2C通信协议以及部分采用SMBus的芯片均具有参考意义。基于其它MCU的方案也可参考该例程进行移植。
在C2000中，可以通过以下代码实现起始信号的发送。其中SCL及SDA分别代表用C2000 GPIO模拟的SDA及SCL总线，具体定义请参考例程部分。

void I2C_Start(void)
{
Delay(I2CDelay);
SCL_High(); // Set the SCL
SDA_High(); // Set the SDA
Delay(I2CDelay);
SDA_Low(); // Clear the SDA while SCL is high indicates the start signal
Delay(I2CDelay);
SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
}
可以参考以下代码实现结束信号的发送：void I2C_Finish(void)
{
SDA_Low(); // Clear the SDA
SCL_Low(); // Clear the SCL
Delay(I2CDelay);
SCL_High(); // Set the SCL
Delay(I2CDelay);
SDA_High(); // Set the SDA while SCL is high indicates the finish signal
}
1.2 数据位及地址位 I2C通讯的数据位通常由1-8的数据构成，在主机进行数据的发送以及读取期间，SCL总线时钟信号时钟仍由主机发出，每个SCL高电平期间对应一位数据。在SCL高电平期间，都应该保持SDA上的数据正确，因此在实际的应用中，通常使得SDA的高电平脉宽宽于SCL。 地址位的发送与数据位类似，实际的操作中可以将设备的7位地址位+1位读写位作为一个8位字节进行整体的发送。以BQ25703A为例，默认设备地址为0x6B(7bit)。则在进行读操作时，所要发送的字节为0xD7(1101011b+1b)；进行写操作时，所要发送的整体字节为0XD6 (1101011b+0b)。 数据位及地址位的发送均可参考以下发送一个8位byte的实现方法：void I2C_Send_Byte(unsigned char txd)
{
int t;
SDA_Output(); // Config SDA GPIO as output
SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
txd&=0X00FF; // Get the lower 8 bits
for(t=0;t<8;t++)
{
SDA_Data_Register = (txd&0x80)>>7; // Send the LSB
txd<<=1;
Delay(I2CDelay/2);
SCL_High(); // Set the SCL
Delay(I2CDelay);
SCL_Low(); // Clear the SCL
Delay(I2CDelay/2);
}
}

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1.3 ACK/NACK指令

Acknowledge（ACK）以及Not Acknowledge（NACK）指令通常发生在一个byte发送结束之后，用于标志一个byte发送的成功或失败。特别需要注意的是，即使是在ACK时钟周期期间，SCL总线时钟信号也是由主机产生的。

ACK: 当一次发送结束，主机释放SDA总线。若发送成功，从机在第9个时钟周期内拉低SDA总线，并在整个高电平期间保持。

NACK: 当一次发送结束，主机释放SDA总线。若发送失败，在第9个时钟周期内SDA始终处于高电平。

在通讯中作为主机的MCU通常只需要实现NACK的发送以及ACK信号的等待，具体可参考以下程序：

void I2C_NAck(void)
{
SCL_Low(); // Clear the SCL to get ready to transmit
SDA_Low() ; // Clear the SDA
Delay(I2CDelay);
SCL_High(); // Set the SCL
Delay(I2CDelay);
SCL_Low(); // Clear the SCL
Delay(I2CDelay);
}
Uint16 I2C_Wait_Ack(void)
{
int ErrTime=0;
int ReadAck=0;
SDA_Input(); // Config SDA GPIO as Input
Delay(I2CDelay);
SCL_High(); // Set the SCL and wait for ACK
while(1)
{
ReadAck = SDA_Data_Register ; // Read the input
if(ReadAck)
{
ErrTime++;
if(ErrTime>ErrLimit)
{
//Error handler:Set error flag, retry or stop.
//Define by users
return 1;
}
}
if(ReadAck==0) // Receive a ACK
{
Delay(I2CDelay);
SCL_Low(); // Clear the SCL for Next Transmit
return 0;
}
}
}

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基于以上几个基本的I2C通讯操作，就可以发送一个完整I2C数据帧，实现基本的I2C通讯功能，构建了利用GPIO口模拟I2C进行芯片控制的基础。

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