所谓的硬件I2C就是STM32芯片上有其相应的外设和驱动电路，通过配置相应的寄存器，就可以完成I2C的通信。本节实验我们介绍软件模拟I2C，软件I2C一般是通过GPIO引脚，按照I2C的时序要求来控制引脚电平状态以产生通讯时序。

1、I2C通信流程中包含信号如下：

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：发送器每发送一个字节，就在第9个时钟脉冲期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。
2、I2C总线时序图如下：

3、I2C通讯过程的基本结构如下所示：

1）主机写数据到从机

2）主机由从机中读数据

3）I2C通讯复合格式

其中 S 表示由主机的 I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就等待主机广播从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C协议，这个从机地址可以是 7位或 10位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

4）数据有效性时序图如下：

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。 即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。

5）地址及数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C 协议规定设备地址可以是 7位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第 8位或第 11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据，如图：

读数据方向时，主机会释放对 SDA信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

bsp_soft_i2c.c程序如下：

1. #include "bsp_soft_i2c.h"   
   
2. #include <stdbool.h>
   
3. 
   
4. // 初始化IIC的IO口
   
5. void I2C2_Soft_Init(void)
   
6. {
   
7.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // 定义GPIO结构体
   
8.         
   
9.     RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);  // 打开GPIOB口时钟
   
10.         
    
11.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;  // 输出
    
12.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; // 开漏
    
13.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = Pin_SCL | Pin_SDA ; // IIC对应IO口
    
14.     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉
    
15.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_Level_3; // 50MHZ
    
16.     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 初始化GPIO
    
17.         
    
18.     I2C2_Stop();
    
19. }
    
20. 
    
21. // 发送IIC起始信号
    
22. bool I2C2_Start(void)
    
23. {
    
24.     Pin_SCL_H; // 拉高时钟线
    
25.     Pin_SDA_H; // 拉高信号线
    
26.     I2C2_Delay1us();
    
27.     if(!Read_SDA_Pin)                return false;
    
28.     Pin_SDA_L;
    
29.     I2C2_Delay1us();
    
30.     Pin_SDA_L;
    
31.     I2C2_Delay1us();
    
32.     return true;
    
33. }
    
34. 
    
35. // 发送IIC停止信号
    
36. bool I2C2_Stop(void)
    
37. {
    
38.     Pin_SCL_H;
    
39.     Pin_SDA_L;
    
40.     I2C2_Delay1us();
    
41.     if(Read_SDA_Pin)        return false;
    
42.     Pin_SDA_H;
    
43.     I2C2_Delay1us();
    
44.     if(!Read_SDA_Pin) return false;
    
45.     Pin_SDA_H;
    
46.     I2C2_Delay1us();        
    
47.     return true;
    
48. }
    
49. 
    
50. // IIC发送ACK信号
    
51. void I2C2_Ack(void)
    
52. {
    
53.     Pin_SCL_L;
    
54.     I2C2_Delay1us();
    
55.     Pin_SDA_L;        
    
56.     Pin_SCL_H;
    
57.     I2C2_Delay1us();
    
58.     Pin_SCL_L;
    
59.     Pin_SDA_H;
    
60.     I2C2_Delay1us();
    
61. }
    
62. 
    
63. // IIC不发送ACK信号
    
64. void I2C2_NAck(void)
    
65. {
    
66.     Pin_SCL_L;
    
67.     I2C2_Delay1us();        
    
68.     Pin_SDA_H;
    
69.     Pin_SCL_H;
    
70.     I2C2_Delay1us();
    
71.     Pin_SCL_L;
    
72.     I2C2_Delay1us();
    
73. }
    
74. 
    
75. // IIC等待ACK信号
    
76. uint8_t I2C2_Wait_Ack(void)
    
77. {
    
78.     Pin_SCL_L;
    
79.     I2C2_Delay1us();        
    
80.     Pin_SDA_H;
    
81.     Pin_SCL_H;
    
82.     I2C2_Delay1us();        
    
83.     if(Read_SDA_Pin)
    
84.     {
    
85.         Pin_SCL_L;
    
86.         I2C2_Delay1us();
    
87.         return false;
    
88.     }
    
89.     Pin_SCL_L;
    
90.     I2C2_Delay1us();
    
91.     return true;
    
92. }
    
93. 
    
94. // IIC发送一个字节
    
95. void I2C2_Send_Byte(uint8_t txd)
    
96. {
    
97.     for(uint8_t i=0; i<8; i++)
    
98.     {
    
99.         Pin_SCL_L;
    
100.         I2C2_Delay1us();
     
101.         if(txd & 0x80)
     
102.             Pin_SDA_H;
     
103.         else
     
104.             Pin_SDA_L;
     
105.             txd <<= 1;
     
106.             Pin_SCL_H;
     
107.             I2C2_Delay1us();
     
108.     }
     
109. }
     
110. 
     
111. // IIC读取一个字节
     
112. uint8_t        I2C2_Read_Byte(void)
     
113. {
     
114.     uint8_t rxd = 0;
     
115.     for(uint8_t i=0; i<8; i++)
     
116.     {
     
117.         rxd <<= 1;
     
118.         Pin_SCL_L;
     
119.         I2C2_Delay1us();
     
120.         Pin_SCL_H;        
     
121.         I2C2_Delay1us();               
     
122.         if(Read_SDA_Pin)
     
123.         {
     
124.             rxd |= 0x01;
     
125.         }
     
126.     }
     
127.     return rxd;
     
128. }
     
129. 
     
130. // 向从机指定地址写数据
     
131. bool I2C_Write_REG(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address,uint8_t REG_data)
     
132. {
     
133.     if(!I2C2_Start())                return false;
     
134.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
     
135.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();        return false;        }
     
136.     I2C2_Send_Byte(REG_Address);
     
137.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();        return false;        }
     
138.     I2C2_Send_Byte(REG_data);
     
139.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop(); return false;        }
     
140.     if(!I2C2_Stop()) return false;
     
141.     return true;
     
142. }
     
143. 
     
144. // 从设备中读取数据
     
145. uint8_t I2C2_Read_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address)
     
146. {
     
147.     uint8_t data;
     
148.     if(!I2C2_Start())        return false;
     
149.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
     
150.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();        return false;        }
     
151.     I2C2_Send_Byte(REG_Address);
     
152.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();        return false;        }
     
153.     if(!I2C2_Start())        return false;
     
154.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress + 1);
     
155.     if(!I2C2_Wait_Ack()) { I2C2_Stop();        return false;        }
     
156.     data = I2C2_Read_Byte();
     
157.     I2C2_NAck();
     
158.     if(!I2C2_Stop())        return false;        
     
159.     return data;
     
160. }
     
161. 
     
162. // 连续写N个字节
     
163. bool I2C2_Write_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len)
     
164. {
     
165.     if(!I2C2_Start())return false;
     
166.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);  //发送设备地址+写信号
     
167.     if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
168.     I2C2_Send_Byte(REG_Address);   
     
169.     if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
170.     for(uint16_t i=0; i<len; i++)
     
171.     {
     
172.         I2C2_Send_Byte(buf<i>);
     
173.       </i>  if(i<len-1)
     
174.         {
     
175.             if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
176.         }
     
177.     }
     
178.     I2C2_Stop();
     
179.     return true;
     
180. }
     
181. 
     
182. // 连续读N个字节
     
183. bool I2C2_Read_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len)
     
184. {
     
185.     if(!I2C2_Start())return false;
     
186.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);  //发送设备地址+写信号
     
187.     if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
188.     I2C2_Send_Byte(REG_Address);   
     
189.     if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
190.     if(!I2C2_Start())return false;
     
191.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress | 1); // 读操作
     
192.     if(!I2C2_Wait_Ack()){I2C2_Stop(); return false;}
     
193.     for(uint16_t i=0; i<len; i++)
     
194.     {
     
195.         buf = I2C2_Read_Byte();
     
196.         if(i<len-1)
     
197.         {
     
198.             I2C2_Ack();
     
199.         }
     
200.     }
     
201.     I2C2_NAck();
     
202.     I2C2_Stop();
     
203.     return true;
     
204. }
     
205. 
     
206. // 检查设备地址
     
207. bool I2C2_CheckDevice(uint8_t SlaveAddress)
     
208. {
     
209.     if(!I2C2_Start())        return false;
     
210.     I2C2_Send_Byte(SlaveAddress);
     
211.     if(!I2C2_Wait_Ack())
     
212.     {
     
213.         I2C2_Stop();
     
214.         return false;               
     
215.     }
     
216.     if(!I2C2_Stop())        return false;        
     
217.     return true;        
     
218. }

复制代码

bsp_soft_i2c.h程序如下：

1. #ifndef _BSP_SOFT_I2C_H_
   
2. #define _BSP_SOFT_I2C_H_
   
3. 
   
4. #include "stm32f0xx.h"
   
5. #include <stdbool.h>
   
6. 
   
7. // 定义内联延时函数        
   
8. static inline void I2C2_Delay1us(void)
   
9. {
   
10.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
    
11.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
    
12.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
    
13.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
    
14.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
    
15.         __nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();        
    
16. }        
    
17. 
    
18. 
    
19. #define        I2C2_GPIOx  GPIOB
    
20. #define Pin_SCL                GPIO_Pin_10
    
21. #define Pin_SDA                GPIO_Pin_11
    
22. 
    
23. #define Pin_SCL_L                I2C2_GPIOx->ODR &= ~Pin_SCL
    
24. #define Pin_SCL_H                I2C2_GPIOx->ODR |= Pin_SCL
    
25. 
    
26. #define Pin_SDA_L                I2C2_GPIOx->ODR &= ~Pin_SDA
    
27. #define Pin_SDA_H                I2C2_GPIOx->ODR |= Pin_SDA
    
28. 
    
29. #define Read_SDA_Pin        I2C2_GPIOx->IDR & Pin_SDA
    
30. 
    
31. void I2C2_Soft_Init(void);                        
    
32. bool I2C2_Start(void);                                                
    
33. bool I2C2_Stop(void);                                          
    
34. void I2C2_Send_Byte(uint8_t txd);
    
35. uint8_t I2C2_Read_Byte(void);
    
36. uint8_t I2C2_Wait_Ack(void);                 
    
37. void I2C2_Ack(void);                                                        
    
38. void I2C2_NAck(void);                                                
    
39. 
    
40. bool I2C2_Write_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address,uint8_t REG_data);
    
41. uint8_t I2C2_Read_REG(uint8_t SlaveAddress,uint8_t REG_Address);
    
42. bool I2C2_Write_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len);
    
43. bool I2C2_Read_NByte(uint8_t SlaveAddress, uint8_t REG_Address, uint8_t* buf, uint8_t len);
    
44. bool I2C2_CheckDevice(uint8_t SlaveAddress);
    
45. #endif

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