一、Bit Bang

关于 Bit Bang 的解释:Use software to control serial communication at general-purpose I/O pins,简单来讲就是使用软件通过 IO 脚去实现 I2C 的时序从而使用 I2C 协议进行通信。

这样做的好处是可以突破硬件上的限制，例如芯片不具有硬件 I2C 模块，或者硬件 I2C 模块损坏，又或者使用硬件 I2C 模块时布线非常麻烦。坏处是需要写代码模拟时序，根据不同的硬件平台和不同的时钟频率，代码中的部分参数是不一样的。

二、代码分析

以下代码基于 STM32 系列 MCU

使用软件模拟 I2C 的步骤如下：

1、设置 GPIO 管脚
设置两个管脚作为 SCL 和 SDA，例如 GPIOA1 和 GPIOA2

#define SCL_PORT            GPIOA
#define SCL_PIN             GPIO_Pin_1
#define SCL_HIGH             GPIOA->BSRR=(uint32_t)GPIO_Pin_1    
#define SCL_LOW             GPIOA->BRR=(uint32_t)GPIO_Pin_1

#define SDA_PORT            GPIOA
#define SDA_PIN             GPIO_Pin_2
#define SDA_HIGH             GPIOA->BSRR=(uint32_t)GPIO_Pin_2
#define SDA_LOW             GPIOA->BRR=(uint32_t)GPIO_Pin_2
#define SDA_READ             (uint16_t)(GPIOA->IDR&GPIO_Pin_2)
#define SDA_OUT             GPIOA->MODER|=(((uint32_t)GPIO_Mode_OUT) << (2 * 2))
#define SDA_IN                 GPIOA->MODER&=~(GPIO_MODER_MODER0<<(2 * 2))

2、SCL时钟周期

void I2C_Delay(void)
{
    uint8_t i = 200; //根据具体的硬件平台和主频调整
    while(i--);
}

3、附加设置
这里主要是使用宏定义模拟函数

#define SCL_OUTH()         SCL_HIGH
#define SCL_OUTL()         SCL_LOW
#define SDA_OUTH()         SDA_HIGH
#define SDA_OUTL()         SDA_LOW
#define SDA_SETIN()     SDA_IN
#define SDA_READ()         SDA_READ

void SDA_SETOUT(void)     
{
    SDA_IN;
    SDA_OUT;   //确保 IO 为输出模式
}

4、I2C 启动
这里写图片描述

void I2C_Start(void)               
{ 
  SCL_OUTH();
  SDA_OUTH();
  I2C_Delay();
  SDA_OUTL();
  I2C_Delay();
  SCL_OUTL();
  I2C_Delay();
}

5、I2C停止
这里写图片描述

void I2C_Stop(void)              
{
  SCL_OUTL();
  SDA_OUTL();
  I2C_Delay();    
  SCL_OUTH();
  I2C_Delay();        
  SDA_OUTH();
  Delay(Delay5ms);    //Delay() 为系统延时，用于确保数据传输正确
}

6、发送 8 位数据，返回值为从响应 ACK 标志

uint8_t I2C_WriteByte(uint8_t Data)
{
  uint8_t i,bAck=0;

  for(i=0;i<8;i++)    //循环加移位，不断地将数据通过 SDA 管脚的高低电平发送出去
  {
      SCL_OUTL();            
      if (Data & 0x80)    
          SDA_OUTH();
      else                
          SDA_OUTL();
      I2C_Delay();
      SCL_OUTH();            
      I2C_Delay();
      Data <<= 1;
  }

  SCL_OUTL();                
  I2C_Delay();
  SCL_OUTH();                
  I2C_Delay();        
  SDA_SETIN();       //设置 SDA 管脚为输入模式
  if(SDA_READ())     //判断从机响应
      bAck = 1;
  else
      bAck = 0;

  SCL_OUTL();                
  SDA_SETOUT();
  SDA_OUTH();
  I2C_Delay();    
  return ((uint8_t)(!bAck));    
}

7、接收 8 位数据

uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t bLSByte)
{
  uint8_t i,Data=0;
  SDA_SETIN();
  for(i=8; i!=0; i--) //循环加移位接收 8 位数据
  {
      SCL_OUTL();            
      Data = Data << 1;
      I2C_Delay();
      SCL_OUTH();            
      I2C_Delay();
      if(SDA_READ())
          Data |= 0x01;
      else
          Data &= 0xfe;
  }    

  SCL_OUTL();                
  SDA_SETOUT();    
  if(bLSByte)
      SDA_OUTH();    // for Nack
  else
      SDA_OUTL();    // for ACK
  I2C_Delay();        
  SCL_OUTH();                
    I2C_Delay();    

  SCL_OUTL();                
  I2C_Delay();    
  return(Data);
}

三、操作实例

以下代码为通过调用上面的基本代码来实现 I2C 通信

1、设置 DAC 寄存器的值

三个参数分比为从机地址，寄存器地址，8 位数据

uint8_t DAC_Write_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr,uint8_t Data)
{
    uint8_t succ,time=0;

    I2C_Start();
    succ=I2C_WriteByte(Slave);
    while((succ!=1)&&(time<3)) //从机没有响应，重试三次
    {
        I2C_Stop();
        I2C_Start();
        succ=I2C_WriteByte(Slave);      
        time++;
    }
    succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr); //发送寄存器地址
    succ=I2C_WriteByte(Data);    //发送数据
    I2C_Stop();    
    return succ;
}

2、读取 DAC 寄存器的值

两个参数分别为从机地址，寄存器地址，返回数据为 16 位。这是由于某些器件的硬件设计，采用 7 位表示寄存器地址，而每个寄存器包含 9 位数据。更常见的方式为 8 位寄存器地址，一个寄存器 8 位数据，这种方式的代码仅返回 8 位数据，见代码 2。

代码 1，返回 16 位数据，不常见

uint16_t DAC_Read_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr)
{ 
    uint8_t Data[2];
    uint8_t succ,time=0;
    uint16_t retData=0;

    I2C_Start();
    succ=I2C_WriteByte(Slave);
    while((succ!=1)&&(time<3))
    {
        I2C_Stop();
        I2C_Start();
        succ=I2C_WriteByte(Slave);
        time++;
    }
    succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr);
    I2C_Start();    
    succ=I2C_WriteByte((Slave|0x01));
    Data[0] = I2C_ReadByte(0);
    Data[1] = I2C_ReadByte(1);
    I2C_Stop();
    retData = (uint16_t)Data[0]<<8;
    retData += (uint16_t)Data[1];
    return retData;
}

代码 2，返回 8 位数据

uint8_t DAC_Read_1byte(uint8_t Slave,uint8_t Regis_Addr)
{
    uint8_t succ,time=0;
    uint8_t dat;

    I2C_Start();
    succ=I2C_WriteByte(Slave+1);  //加 1 代表读数据 
    while((succ!=1)&&(time<3)) //从机没有响应，重试三次
    {
        I2C_Stop();
        I2C_Start();
        succ=I2C_WriteByte(Slave+1);      
        time++;
    }
    succ=I2C_WriteByte(Regis_Addr); //发送寄存器地址
    dat=I2C_ReadByte(0);    //发送数据
    I2C_Stop();    
    return dat;
}

I2C Bit-Bang 程序分析

一、Bit Bang

二、代码分析

三、操作实例