引言

I2C作為一種簡單的數(shù)字通訊方式，僅需要兩根數(shù)據(jù)線就可以完成近距離主機（Master）與從機(Slave)之間的通訊，節(jié)省了MCU引腳以及額外的邏輯芯片，簡化了PCB布板難度，因此得到了廣泛的應用。近年來，TI也推出了越來越多支持I2C通訊功能的芯片，大大簡化了芯片與MCU之間的通訊，方便了系統(tǒng)的設計。

但在實際應用中，針對性能要求較低的應用場合，通常選擇外設較為簡單的低端主控MCU，可能并不具備I2C接口。對于此類應用，可以通過MCU的IO口進行I2C模擬，與被控器件建立通訊，達到發(fā)送控制指令、讀取內部寄存器的目的。即使在I2C接口缺失的情況下也能夠充分發(fā)揮器件的全部功能。

本文基于C2000提供了一種利用GPIO模擬I2C控制被控芯片的解決方案，并附有完整例程。對于絕大多數(shù)采用標準I2C通信協(xié)議以及部分采用SMBus的芯片均具有參考意義?；谄渌麺CU的方案也可參考該例程進行移植。

一、I2C通訊協(xié)議與GPIO模擬

I2C總線由兩條雙向信號線構成，分別為數(shù)據(jù)線（SDA）以及時鐘線（SCL），分別用電阻進行上拉，以實現(xiàn)高低電平之間的切換，進行設備之間的數(shù)據(jù)交交換。I2C允許的工作電壓范圍較為寬泛，典型電壓基準為+3.3V或+5V。常見的I2C總線速率分為以下幾種模式：標準模式（100Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）以及高速模式（3.4Mbit/s）等。如圖為典型的I2C連接示意圖：

圖1 I2C連接示意圖

如圖2為典型的I2C通訊幀格式示意圖。一幀完整的數(shù)據(jù)發(fā)送主要包括起始位、地址位、讀/寫位、ACK/NCK位、數(shù)據(jù)位等。下面對各部分進行簡要的講解，并介紹如何通過C2000進行實現(xiàn)。

圖2 I2C連接示意圖

1.1 起始及結束指令

當某個設備在I2C總線上被配置為主機（Master），該設備可以發(fā)送起始及結束信號用來發(fā)起或結束一次I2C通信，母線電平示意圖如圖2所示。

起始信號：在SCL為高電平期間，SDA由高電平轉換為低電平。

結束信號：在SCL為高電平期間，SDA由低電平轉換為高電平。

圖3 I2C通訊起始及結束信號

在C2000中，可以通過以下代碼實現(xiàn)起始信號的發(fā)送。其中SCL及SDA分別代表用C2000 GPIO模擬的SDA及SCL總線，具體定義請參考例程部分。

voidI2C_Start(void)

{

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

SDA_High();//SettheSDA

Delay(I2CDelay);

SDA_Low(); //CleartheSDAwhileSCLishighindicatesthestartsignal

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

}

可以參考以下代碼實現(xiàn)結束信號的發(fā)送：

voidI2C_Finish(void)

{

SDA_Low(); //CleartheSDA

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SDA_High();//SettheSDAwhileSCLishighindicatesthefinishsignal

}

1.2 數(shù)據(jù)位及地址位

I2C通訊的數(shù)據(jù)位通常由1-8的數(shù)據(jù)構成，在主機進行數(shù)據(jù)的發(fā)送以及讀取期間，SCL總線時鐘信號時鐘仍由主機發(fā)出，每個SCL高電平期間對應一位數(shù)據(jù)。在SCL高電平期間，都應該保持SDA上的數(shù)據(jù)正確，因此在實際的應用中，通常使得SDA的高電平脈寬寬于SCL。

地址位的發(fā)送與數(shù)據(jù)位類似，實際的操作中可以將設備的7位地址位+1位讀寫位作為一個8位字節(jié)進行整體的發(fā)送。以BQ25703A為例，默認設備地址為0x6B(7bit)。則在進行讀操作時，所要發(fā)送的字節(jié)為0xD7(1101011b+1b)；進行寫操作時，所要發(fā)送的整體字節(jié)為0XD6 (1101011b+0b)。

數(shù)據(jù)位及地址位的發(fā)送均可參考以下發(fā)送一個8位byte的實現(xiàn)方法：

voidI2C_Send_Byte(unsignedchartxd)

{

intt;

SDA_Output(); //Config SDA GPIO as output

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

txd&=0X00FF; // Getthe lower8bits

for(t=0;t<8;t++)??

{

SDA_Data_Register=(txd&0x80)>>7;//SendtheLSB

txd<<=1;??

Delay(I2CDelay/2);

SCL_High();//SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay/2);

}

}

1.3 ACK/NACK指令

Acknowledge（ACK）以及Not Acknowledge（NACK）指令通常發(fā)生在一個byte發(fā)送結束之后，用于標志一個byte發(fā)送的成功或失敗。特別需要注意的是，即使是在ACK時鐘周期期間，SCL總線時鐘信號也是由主機產生的。

ACK: 當一次發(fā)送結束，主機釋放SDA總線。若發(fā)送成功，從機在第9個時鐘周期內拉低SDA總線，并在整個高電平期間保持。

NACK: 當一次發(fā)送結束，主機釋放SDA總線。若發(fā)送失敗，在第9個時鐘周期內SDA始終處于高電平。

在通訊中作為主機的MCU通常只需要實現(xiàn)NACK的發(fā)送以及ACK信號的等待，具體可參考以下程序：

voidI2C_NAck(void)

{

SCL_Low(); //CleartheSCLtogetreadytotransmit

SDA_Low(); //CleartheSDA

Delay(I2CDelay);

SCL_High(); //SettheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_Low(); //CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

}

Uint16I2C_Wait_Ack(void)

{

intErrTime=0;

intReadAck=0;

SDA_Input();//Config SDAGPIO as Input

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCLandwaitforACK

while(1)

{

ReadAck=SDA_Data_Register;//Readtheinput

if(ReadAck)

{

ErrTime++;

if(ErrTime>ErrLimit)

{

//Errorhandler:Seterrorflag,retryorstop.

//Definebyusers

return1;

}

}

if(ReadAck==0) //Receive a ACK

{

Delay(I2CDelay);

SCL_Low();//CleartheSCLforNextTransmit

return0;

}

}

}

基于以上幾個基本的I2C通訊操作，就可以發(fā)送一個完整I2C數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)基本的I2C通訊功能，構建了利用GPIO口模擬I2C進行芯片控制的基礎。

二、I2C模擬器件寄存器寫入與讀取

在構建了基本的I2C通訊功能之后，就可以利用I2C通訊對Slave進行控制或狀態(tài)的讀取，其本質就是對Slave的內部寄存器進行讀寫操作。下面以一個典型的帶有I2C功能的8位寄存器芯片為例，介紹如何利用前文的基礎I2C模擬函數(shù)對芯片的內部寄存器進行寫入和讀取。

I2C 寫入：要進行一次I2C寫入，MCU首先要發(fā)送一個起始位以及一個由7位slave地址位和讀寫位（0b）組成的8位硬件寫地址，而后釋放SDA總線。若地址正確，slave將拉低SDA發(fā)送一個ACK。此后，MCU發(fā)送寫入寄存器的地址，并等待slave返回的ACK。響應后，MCU發(fā)送8位數(shù)據(jù)，并在收到ACK響應后發(fā)送停止位。

圖4 I2C寫入寄存器幀格式

具體實現(xiàn)方法可以參考以下代碼：

voidI2C_Write_Register(unsignedcharDevice,unsignedcharRegister,unsignedcharValue)

{

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device);//Sendthedeviceaddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Register);//Sendtheregisteraddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Value); //Sendregistervalue

I2C_Wait_Ack();

I2C_Finish();

}

I2C讀?。阂x取Slave的內部寄存器，MCU首先要與Slave進行一次通信，告知Slave讀取的目標寄存器，該過程與進行寫入操作類似。MCU首先發(fā)送起始位、8位Slave寫地址，并在ACK信號后發(fā)送8位的目標寄存器地址。在Slave響應該地址后，MCU重新發(fā)送一次起始位，以及8位Slave讀地址（7位地址+1b），ACK響應后MCU釋放SDA總線，并繼續(xù)發(fā)送SCL時鐘信號讀取SDA上的內容。接收完成后，MCU 發(fā)送NACK位以及STOP位結束一次寄存器讀取操作。

圖5 I2C讀取寄存器幀格式

8位Byte的讀方法可以參考以下代碼：

unsignedcharI2C_Read_Byte(void)

{

intt,rxData;

unsignedcharreceive;

SDA_Input();

for(t=0;t<8;t++)??

{

SCL_Low();//CleartheSCL

Delay(I2CDelay);

SCL_High();//SettheSCL

receive<<=1;??

rxData=SDA_Data_Register;

if(rxData)

{

receive++;

}

Delay(I2CDelay);

}

returnreceive;

}

寄存器的讀方法可以參考以下代碼：

unsignedcharI2C_Read_Register(unsignedcharDevice_Write,unsignedcharDevice_Read,unsignedcharRegister)

{

unsignedcharReadData;

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device_Write);//Sendthedeviceaddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Send_Byte(Register); //Sendtheregisteraddress

I2C_Wait_Ack(); //Waitfortheacksignal

I2C_Start();

I2C_Send_Byte(Device_Read); //Sendregistervalue

I2C_Wait_Ack();

SDA_High(); //SettheSDA

ReadData=I2C_Read_Byte();

I2C_NAck();

Delay(1);

I2C_Finish();

returnReadData;

}

三、參考例程

本文附帶的例程中包含了完整GPIO模擬I2C通訊的頭文件以及函數(shù)，下面對例程中的主要內容進行介紹，以方便讀者理解。

圖6 I2C通訊程序架構

3.1宏定義

1）定義硬件通訊通訊地址及寄存器地址：

#defineDevice_Address_Write0xC0

#defineDevice_Address_Read0xC1

#defineREG_1 0x01

#defineREG_2 0x02

#defineREG_3 0x03

#defineREG_4 0x04

表1 硬件讀寫地址及寄存器地址

在調用此代碼時，只需在.h文件依照所用器件實際情況修改硬件地址及各寄存器地址，就可以很方便地調用相關函數(shù)。

2）定義I2C通訊速率

#defineI2CDelay1//DefinetoconfigureI2Crate

表2 I2C通訊速率

通過改變I2CDelay可以設置I2C通訊時鐘的高低電平持續(xù)時間，進而改變I2C的通訊速率。實際應用中，該值可以通過實際測試進行調整，以達到理想的通訊速率。

3）定義IO口動作

#defineSDA_High(){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO7=1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}

#defineSDA_Low(){GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO7=1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//TocleartheSDAline.Disableprotectionforwritingregister

#defineSDA_Input(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=0;EDIS;}//SDADIR=Input

#defineSDA_Output(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//SDADIR=Output

#defineSDA_Data_RegisterGpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7

#defineSCL_High(){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO6=1;}//SettheSCLline

#defineSCL_Low(){GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO6=1;}//CleartheSCLline

表3 IO口動作宏定義

將GPIO口的動作以宏定義的形式定義為SDA、SCL的動作，以增強代碼的可讀性。在進行程序移植時，只需要根據(jù)單片機實際情況將宏定義內的代碼更換成對應GPIO口動作的代碼，不需要對程序其他部分進行改動。其中EALLOW\EDIS語句是TI C2000產品改變GPIO口方向時需要解除相應的保護，請根據(jù)具體情況進行改動。

4）定義Delay函數(shù)

#defineDelay(A)DELAY_US(A)

Delay()函數(shù)用于進行程序中SDA、SCL的高低電平延時，在例程中實際被定義成DELAY_US（）函數(shù)。在移植過程需要根據(jù)實際情況修改宏定義，更改成適用用戶MCU的延時函數(shù)，不需要對后續(xù)程序進行修改。

3.2 I2C通訊功能函數(shù)

voidI2C_Start(void);

voidI2C_Finish(void);

Uint16I2C_Wait_Ack(void);

voidI2C_NAck(void);

voidI2C_Send_Byte(unsignedcharxtd);

unsignedcharI2C_Read_Byte(void);

表4 I2C通訊函數(shù)

四、總結

針對由于MCU缺少I2C接口而不能直接使用I2C與外圍芯片進行通訊的問題，本文給出了使用IO模擬I2C接口的方法。首先，從I2C協(xié)議入手對數(shù)據(jù)幀中各個位的邏輯電平進行了詳細介紹，并給出基于C2000 GPIO的具體實現(xiàn)方法；在此基礎上，以常見的8位I2C通訊Slave為例介紹了內部寄存器的讀取邏輯，并給出了實現(xiàn)方法。最后，針對附帶的參考例程內容進行了介紹，方便讀者參考例程，其它MCU也可以在本例程上進行快速的移植。本文為使用IO模擬I2C需求給出了一種有效的解決方案。

審核編輯：何安