如何根据时序图编写高效IO模拟I2C程序

很多人不知道怎么看着时序图写程序，下面结合一个非标准的I2C器件，教大家如何写一个高效的IO模拟I2C时序。

观察该时序，具备I2C的开始信号，I2C的结束信号，I2C的应答、非应答、响应应答，以及写字节和读字节的基本操作时序。

下面，我们一步一步分析。

1、I2C开始信号

观察时序图，在SCLK高电平的状态下，在SDIO产生一个下降沿是为开始信号。

void I2C_Start()
{
  //设置I2C使用的两个引脚为输出模式
  pinMode(SCLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);


  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个下降沿是为开始信号
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
}

上述代码即先将两个引脚设置为输出模式，然后在SCLK为高电平的时候在SDIO引脚输出一个下降沿。

2、I2C停止信号

观察时序图，在SCLK为高电平的时候在SDIO引脚产生一个上升沿是为停止信号。

void I2C_Stop()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个上升沿是为停止信号
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
}

这里采用的是Arduino编写的IO基本操作，你可以替换成任意单片机的IO操作。

由于整个过程SCLK引脚一直是输出状态，所以仅在开始信号中对SCLK初始化为输出模式，而过程中可能会修改SDIO的输入输出模式，所以其他的函数开头都要根据情况对SDIO引脚的模式进行设置。

通过三行代码实现在SCLK为高电平的时候在SDIO产生一个上升沿，实现停止信号。

3、写字节操作

接下来，按照时序的顺序编写方便认读

I2C的读写字节是这么定义的：当时钟线为低电平的时候，允许修改数据线的电平状态，在时钟线为高电平的时候读取数据线的状态。

因为是写操作，因此我们要先将时钟线SCLK拉低，再修改SDIO的值，然后拉高时钟。拉高后，从机就会从总线上读取SDIO的状态，接着一位一位的这么发送。

void I2C_Write(uint8_t dat)
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //拉低时钟线后可修改数据线的状态
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0); 
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SDIO_PIN, (bool)(dat&0x80)); 
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//在高电平时候送出数据
    dat=dat<<1;
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低准备下一个位的数据发送
  }
}

上述代码正描述了这一情况：为了保证最后是低电平，这里将SCLK的第一次拉低放到循环外面，这样可以用最少的执行次数完成一个字节的写任务；同时，结束完一个字节写入后时钟线是低电平状态（时序图中写入的第一个字节为DeviceID，第二个字节为寄存器地址+读写位）。

写完一个字节后，从机会对写入事件进行应答，这个时候主级可以从总线上读取应答信号。

4、读取从机应答引号

应答信号在写入完一个字节后的低电平后由从机送出，在时钟为高电平的时候可以读取出来，我们注意到写入自己操作后时钟线已经是低电平了，因此这个时候

只要拉高时钟线，接下来就可以读取应答信号，读取完应答信号根据时序图应该拉低时钟准备下一个字节的写入。

bool I2C_RACK()
{
  bool ack;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);


  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//接收应答信号，当时钟拉高时候，从机送出应答信号
  ack = digitalRead(SDIO_PIN);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//读取完应答信号后拉低时钟。
  return ack;
}

如上代码所示，即为接收从机应答，拉高时钟，读取应答，再拉低，返回应答。如果从机应答了，这里会读取到一个低电平。

后面就是再写入一个寄存器+读写位的地址，参靠上面的写入操作。

写入寄存器地址后，紧跟着又一个接收从机应答信号，然后从机就会送出数据，送出的数据分高字节和低字节，高低字节间要有一个主机发送给从机的应答信号，这样从机酒知道主机收到了数据，就会送出后面的低字节数据。

5、读字节操作

注意，前面说过，读写都是总线在时钟低电平时候修改数据线，在高电平送出。

因此，主机读取从机送来的数据仍然是在高电平时候读取。

uint8_t I2C_Read()
{
  uint8_t dat=0;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//读取数据时候是在时钟的高电平状态读取
    dat=dat<<1;
    if(digitalRead(SDIO_PIN))
    {
      dat=dat|1;
    }
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低时钟线准备下一个位的读取
  }
  return dat;
}

操作过程是将SDIO数据线的IO设置为输入模式，准备读取，然后拉高时钟，读取数据，移位，拉低循环读取8位数据。

注意，操作完一个字节读取任务后，时钟线还是低电平。

读取完一个字节后，主机要给从机发送一个应答信号，这样从机会接着发低字节数据。

6、主机发送应答信号给从机

void I2C_ACK()
{
pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(SDIO_PIN, 0);//给从机发送应答信号，即拉低数据线，然后拉高时钟让从机读取该应答
digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//执行完应答后拉低时钟线，准备下一步动作。
}

拉低数据线，然后在高电平的时候让从机去读取，之后拉低时钟线准备下一步接收动作。

当再接收一个字节后，就读取完成了，这个时候就是产生一个非应答信号，然后发给总线结束信号，告诉从机一个读写周期结束了。

7、主机非应答信号

什么是非应答信号呢？

就是接收完了数据，释放数据线，不去拉低数据线。

void I2C_NACK()
{
  //非应答信号：即主机不再对从机进行应答，主机释放数据线，即拉高数据线，然后给时钟一个周期信号（拉高再拉低）
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);
}

将SDIO引脚设置为输出，拉高数据线，即为释放数据线，然后拉高拉低时钟，即在时钟线产生一个时钟周期信号。

然后发送结束信号。结束信号在开头已经讲明，即在时钟线为高电平的状态下，在数据线产生一个上升沿。

观察以上代码没一个多余重复的操作动作，即完美的视线了时序图上的所有操作。

接下来就是利用上述的I2C成分进行对寄存器的读写操作了。

8、读寄存器

由于图中设备的DeviceID 为0x80，即直接写进来，从机判断是读还是写的字节在寄存器地址。

因此，将寄存器的地址左移一位，在末尾补上是读（1）还是写（0）。

uint16_t read_reg(uint8_t reg)
{
  uint16_t dat=0;
  reg=(reg<<1)|1;
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  dat=I2C_Read();
  dat=dat<<8;
  I2C_ACK();
  dat=dat|I2C_Read();
  I2C_NACK(); 
  I2C_Stop();
  return dat;
}

9、写寄存器操作

void write_reg(uint8_t reg, uint16_t dat)
{
  reg=(reg<<1);
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat>>8);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat&0xFF);
  I2C_NACK();
  I2C_Stop();
}

最后，对寄存器读写函数测试。

void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello I2C");
  write_reg(0x02,0x2250);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
  write_reg(0x02,0x2281);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
}


void loop() 
{


}

读取的数值与写入的是一样的。

最后晒出完整的测试代码：

#define SCLK_PIN 8
#define SDIO_PIN 9




void I2C_Start()
{
  //设置I2C使用的两个引脚为输出模式
  pinMode(SCLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);


  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个下降沿是为开始信号
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
}


void I2C_Stop()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //在SCL为高电平的时候让SDA产生一个上升沿是为停止信号
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
}


void I2C_Write(uint8_t dat)
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //拉低时钟线后可修改数据线的状态
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0); 
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SDIO_PIN, (bool)(dat&0x80)); 
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//在高电平时候送出数据
    dat=dat<<1;
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低准备下一个位的数据发送
  }
}


uint8_t I2C_Read()
{
  uint8_t dat=0;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//读取数据时候是在时钟的高电平状态读取
    dat=dat<<1;
    if(digitalRead(SDIO_PIN))
    {
      dat=dat|1;
    }
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低时钟线准备下一个位的读取
  }
  return dat;
}




bool I2C_RACK()
{
  bool ack;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);


  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//接收应答信号，当时钟拉高时候，从机送出应答信号
  ack = digitalRead(SDIO_PIN);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//读取完应答信号后拉低时钟。
  return ack;
}


void I2C_ACK()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);//给从机发送应答信号，即拉低数据线，然后拉高时钟让从机读取该应答
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//执行完应答后拉低时钟线，准备下一步动作。
}


void I2C_NACK()
{
  //非应答信号：即主机不再对从机进行应答，主机释放数据线，即拉高数据线，然后给时钟一个周期信号（拉高再拉低）
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);
}


uint16_t read_reg(uint8_t reg)
{
  uint16_t dat=0;
  reg=(reg<<1)|1;
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  dat=I2C_Read();
  dat=dat<<8;
  I2C_ACK();
  dat=dat|I2C_Read();
  I2C_NACK(); 
  I2C_Stop();
  return dat;
}


void write_reg(uint8_t reg, uint16_t dat)
{
  reg=(reg<<1);
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat>>8);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat&0xFF);
  I2C_NACK();
  I2C_Stop();
}




void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello I2C");
  write_reg(0x02,0x2250);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
  write_reg(0x02,0x2281);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
}


void loop() 
{


}

看完这篇文章，你学会纯手工撸IO模拟I2C时序的代码了吗？

审核编辑：黄飞