IIC软件模拟---从机的实现

一、前言

在网上找了半天，都没怎么看到很多关于IIC软件模拟，写从机的，一咬牙就自己尝试写了。在这个过程中学到了许多新东西（都是踩坑踩出来的），我记忆力差防止后面忘记了趁着梳理知识点，做个记录总结。
IIC通信中，从机与主机之间的通信，无非在于2点，接收数据和发送数据，而这就在时序上有着严密的要求。这篇文章主要以从机的视角出发，如何根据SCL上高低电平的变化来正确的实现接收和发送数据。

二、正文

关于SCL的控制，永远由主机来控制SCL电平的变换。
外部中断用途介绍：

SCL的上升沿---接收数据

SDA的上升沿---检测停止信号

SDA的下降沿 ---检测启动信号

关于枚举根据自己需求定义:

typedef enum{
    IDLE = x1,
    ADDR = x2,
    RECEIVING = x3,
    SENDING = x4
}Slave_State;
Slave_State state;

基础函数：

void IIC_W_SDA(uint8_t value)   
{
  GPIO_WriteBit(SDA_GPIO,SDA_PIN,(BitAction)value);   
}

uint8_t IIC_R_SDA()
{
   return GPIO_ReadInputDataBit(SDA_GPIO,SDA_PIN);  
}

void IIC_W_SCL(uint8_t value)
{
  GPIO_WriteBit(SCL_GPIO,SCL_PIN,(BitAction)value);   
}

uint8_t IIC_R_SCL()
{ 
   return GPIO_ReadInputDataBit(SCL_GPIO,SCL_PIN);     
}

配置IO口模式

//配置SDA为输出
 void SDA_Out(void)
 {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;  // 开漏输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SDA_GPIO, &GPIO_InitStructure); 
 }
//配置SDA为输入
 void SDA_In(void)
 {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(SDA_GPIO, &GPIO_InitStructure);
 }

2.1 数据的接收：

读操作：当SCL：1，读取SDA上电平，这就需要从机捕捉SCL上的电平变化，那么如何捕捉电平的变换呢？
这就需要用到IO口的外部中断来实现：捕捉SCL的上升沿

    //SCL    
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource8); //IO口与中断线的映射（选择）    
    EXTI_InitStruct8.EXTI_Line=EXTI_Line8; //配置中断触发模式
    EXTI_InitStruct8.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct8.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStruct8.EXTI_LineCmd=ENABLE;    
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct8);
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line8);//清除初始化造成的标志位

每次上升沿中断，能获取到的就是SDA线上的高低电平，也就相当于1bit，而一个字节8bit组成，因此需要中断8次才能获取一个完成的字节数据。
这就需要1个静态变量（recv_byte ）来存储每一次的高低电平，1个静态变量（bit_count）记录接收的位数。

     uint8_t sda = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_9);
     recv_byte <<= 1;
     recv_byte |= sda;
     bit_count++;
     if(bit_count == 8){   //接收完成1个字节数据
        ......
     }

在此说明：关于起始、停止信号的检测及数据的接收都是在外部中断函数中进行的，为了更加清楚的讲述，下面将其进行分开讲解。

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{   
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line8) != RESET){//数据接收
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line8);
        if(state == ADDR || state == RECEIVING){ //state状态机
           //此处进行数据1bit的接收
            uint8_t sda = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_9);
            Rx_byte <<= 1;
            Rx_byte |= sda;
            bit_count++;
            if(bit_count == 8){   //接收完成1个字节数据
              if(state == ADDR){
                 //判断地址是否正确。
                 //判断是读还是写：
                // ....详情看下面....
              }else if(state == RECEIVING){ //存储数据
                  buffer[i++] = Rx_byte;
              }     
            }
        }
    }
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line9) != RESET) {   //判断起始及停止信号
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9); 
       // ....详情看下面....
    }
}

在IIC主从通信之间，每一次通话的发起都会由起始信号发起，停止信号结束，当SCL为高电平时，SDA由1-->0，为起始信号，SDA由0-->1为停止信号。
所以从机还需要捕捉SDA的上下降沿，这也就要用到IO口的外部中断。

    //SDA
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource9); //IO口与中断线的映射（选择）      
    EXTI_InitStruct9.EXTI_Line=EXTI_Line9; //配置中断触发模式
    EXTI_InitStruct9.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct9.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Rising_Falling;
    EXTI_InitStruct9.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct9);
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9);//清除初始化造成的标志位

SDA的下降沿时，SCL保持为高电平则为起始信号：
SDA的上升沿时，SCL仍然保持高电平则为停止信号：
此处由于上升沿和下降沿都会触发中断产生，所以要区分具体是哪种类型触发的中断，就需要结合上一次的SDA的状态来判断，例如下图的last_sda(保存SDA上次的状态)：

1.若last_sda ：1，sda : 0 则判断为下降沿,这时scl:1则可以确定检测到起始信号。
2. 若last_sda ：0，sda : 1 则判断为上升沿,这时scl:1则可以确定检测到停止信号。

  //起始停止信号的判断
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line9) != RESET) {   //判断起始及停止信号
        uint8_t scl = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_8);
        uint8_t sda = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_9);        
        static uint8_t last_sda = 1;
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9);              
        // START 条件：SDA 下降沿，且 SCL 为高
        if(last_sda == 1 && sda == 0 && scl == 1){
            state = ADDR;
            bit_count = 0;
            Rx_byte = 0;
        }else if(last_sda == 0 && sda == 1 && scl == 1) { //STOP
            state = IDLE;
            bit_count = 0;
            Rx_byte = 0;
            current_index = 0;           
        }
        last_sda = sda;       
    }

在IIC的通信中，一段完整的通信格式：起始信号--地址（7bit)+读写（1bit）--应答--数据--停止信号。
这么多不同类型的数据，就需要状态机来记录当前过程的状态例如下段代码中的state;
在检测到起始信号后，会将状态置为state=ADDR,表示接下来接收的数据应为地址

 if(last_sda == 1 && sda == 0 && scl == 1){
    state = ADDR;
    bit_count = 0;
    Rx_byte = 0;
 }

接收地址：若地址正确，则根据读写位，将状态state更改位RECEIVING、SENDING、若地址不匹配则改为IDLE;

 if(state == ADDR){ 
     if((Rx_byte>>1) == 地址){                                        
        if(Rx_byte & 0x01){
           state = SENDING; 
           send_flag = SENDING;//发送数据标志位     
        }else {
           state = RECEIVING;
        }
        IIC_SendAck(0);
    }else { //地址不正确
        IIC_SendAck(1);
        state = IDLE;
    }                   
 }else if(state == RECEIVING) {
   //数据存储
 }

应答：在接收一个字节数据后，需要发送应答
在SCL为低电平时，将SDA拉低，下一个SCL为低电平时，从机释放SDA(SDA拉高)

/* 发动应答 */
void IIC_SendAck(uint8_t Ackbit)
{
    SDA_Out();//IO口切换为输出
    while(IIC_R_SCL()==1);//等待SCL低电平 
    IIC_W_SDA(Ackbit);//Ackbit：0 拉低SDA，准备ACK  1：非应答
    while( IIC_R_SCL()==0); //等待主机升高SCL    
    //while(IIC_R_SCL()==1);//等待SCL低电平---为正确时序段释放SDA做准备    
    SDA_In(); //释放SDA，回到输入模式（上拉输入）   
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line8); //清除SCL上升沿触发的中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9); //清除将IO口改为输入模式时置为的中断标志位  
}

2.2 数据的发送：

数据发送:数据发送是将每个字节数据1bit按SCL节奏（SCL:0）发送到SDA上，这就需要考虑SCL电平的变化：
数据的发送：SCL稳定在低电平时，改变SDA的高低电平。
发送完一个字节后数据，需要留一个SCL信号读取主机返回的响应。
*关于发送数据时，检测SCL电平的变化，用while最合适，用上升沿，下降沿不好用。

//发送数据
 void Send_Host_data(uint8_t *arry,uint8_t len)
{
    uint8_t i;
    SDA_Out();//IO口切换为输出
    for(i=0;i<len;i++){
       uint8_t j;
       for(j=0;j<8;j++){  //单个字节的读取
         while(IIC_R_SCL()==1);//等待SCL稳定在低电平  
         IIC_W_SDA((arry[i] & (0x80 >> j)));
         while( IIC_R_SCL()==0); //等待主机升高SCL    
       }            
       //接收应答
       while( IIC_R_SCL()==1); //等待下一个低电平 
       IIC_W_SDA(1);//释放SDA的控制权，SDA空闲      
       while(IIC_R_SCL()==0);//等待SCL拉高来接收应答
       //读取SDA上的电平      
    }
    send_flag  = IDLE;//清除标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line8); //清除SCL上升沿触发的中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9); //清除将IO口改为输入模式时置为的中断标志位   
}

2.3 主函数逻辑
主函数里面主要进行初始化配置，及根据状态机state状态来发送数据

int main(void)
{	
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); 
    delay_init();
    Initial_Configuration()   
    while(1)
    { 
       if(state == SENDING){ 
          if(send_flag){ 
             if(数据类型1){
               Send_Host_data(sendbuffer,len);
             } else if(数据类型2)){
               Send_Host_data(sendbuffer,len);
             } ... 
          }                   
       }             
    }      
}

三、总结

关于写IIC的从机，需要非常注意时序，错一个，就会导致接收数据不对，调试过程中最好借助类似与示波器的工具。
同时要注意IO电平切换是的延时，否则中间几个电平变换，最后就执行了一个电平。
SCL的电平变换由主设备控制节奏。---这个也是我最开始写从机时思考的问题。
从机需要捕捉SDA和SCL的电平变化（外部中断实现），来实现数据的接收，停止及启动信号的检测。
IO口开漏输出模式下同时可以读取IO电平。

四、声明
在这个过程中，我也查看过其他博主的文章做参考找灵感，在此表示感谢！本文意在将此次自己所学的进行知识梳理，同时也希望能给其他同样正在写IIC从机这个方面的人提供一些参考，文章整理不易，引用时希望指明出处，谢谢。

posted @ 2025-06-06 16:35 骑着自行车，上月球阅读(579) 评论(0) 收藏举报

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