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Other Parts Discussed in Post: BQ25703A

作者：TI 華北區工程師 Brian Wang 和 Young Hu

相關代碼請點擊以下附件下載：

I2C_Simulation.c         I2C_Simulation.h

引言

         I2C作為一種簡單的數字通訊方式，僅需要兩根數據線就可以完成近距離主機（Master）與從機(Slave)之間的通訊，節省了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。對于絕大多數采用標準I2C通信協議以及部分采用SMBus的芯片均具有參考意義。基于其它MCU的方案也可參考該例程進行移植。

一、I2C 通訊協議與GPIO模擬

     I2C總線由兩條雙向信號線構成，分別為數據線（SDA）以及時鐘線（SCL），分別用電阻進行上拉，以實現高低電平之間的切換，進行設備之間的數據交交換。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。一幀完整的數據發送主要包括起始位、地址位、讀/寫位、ACK/NCK位、數據位等。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。

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），該設備可以發送起始及結束信號用來發起或結束一次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起始信號的發送。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。

1. void I2C_Start(void)  

2. {  

3.     Delay(I2CDelay);  

4.     SCL_High();   // Set the SCL  

5.     SDA_High();   // Set the SDA  

6.     Delay(I2CDelay);  

7.     SDA_Low();    // Clear the SDA while SCL is high indicates the start signal 

8.     Delay(I2CDelay);  

9.     SCL_Low();    // Clear the SCL to get ready to transmit

10. }  

     可以參考以下代碼實現結束信號的發送：

1. void I2C_Finish(void)  

2. {  

3.     SDA_Low();    // Clear the SDA 

4.     SCL_Low();    // Clear the SCL  

5.     Delay(I2CDelay);  

6.     SCL_High();   // Set the SCL  

7.     Delay(I2CDelay);  

8.     SDA_High();   // Set the SDA while SCL is high indicates the finish signal  

9. }  

1.2 數據位及地址位

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

       地址位的發送與數據位類似，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位字節進行整體的發送。以BQ25703A為例，默認設備地址為0x6B(7bit)。則在進行讀操作時，所要發送的字節為0xD7(1101011b+1b)；進行寫操作時，所要發送的整體字節為0xD6 (1101011b+0b)。

       數據位及地址位的發送均可參考以下發送一個8位byte的實現方法：

1. void I2C_Send_Byte(unsigned char txd)  

2. {  

3.     int t;  

4.     SDA_Output();   // Config SDA GPIO as output  

5.     SCL_Low();      // Clear the SCL to get ready to transmit  

6.     txd&=0x00FF;    // Get the lower 8 bits 

7.     for(t=0;t<8;t++)  

8.         {  

9.             SDA_Data_Register = (txd&0x80)>>7;  // Send the LSB  

10.             txd<<=1;  

11.             Delay(I2CDelay/2);  

12.            SCL_High();   // Set the SCL 

13.            Delay(I2CDelay);  

14.            SCL_Low();    // Clear the SCL  

15.            Delay(I2CDelay/2);  

16.         } 

17. }  

1.3 ACK/NACK指令

     Acknowledge（ACK）以及Not Acknowledge（NACK）指令通常發生在一個byte發送結束之后，用于標志一個byte發送的成功或失敗。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: 當一次發送結束，主機釋放SDA總線。若發送成功，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: 當一次發送結束，主機釋放SDA總線。若發送失敗，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NACK的發送以及ACK信號的等待，具體可參考以下程序：

1. void I2C_NAck(void)  

2. {  

3.     SCL_Low();     // Clear the SCL to get ready to transmit  

4.     SDA_Low() ;    // Clear the SDA  

5.     Delay(I2CDelay);  

6.     SCL_High();    // Set the SCL  

7.     Delay(I2CDelay);  

8.     SCL_Low();      // Clear the SCL  

9.     Delay(I2CDelay); 

10. }  

1. Uint16 I2C_Wait_Ack(void)  

2. {  

3.     int ErrTime=0;  

4.     int ReadAck=0;  

5.     SDA_Input();  // Config SDA GPIO as Input

6.     Delay(I2CDelay);  

7.     SCL_High();   // Set the SCL and wait for ACK  

8.     while(1)  

9.     {  

10.          ReadAck = SDA_Data_Register ;  // Read the input  

11.          if(ReadAck)  

12.         {   

13.              ErrTime++;  

14.              if(ErrTime>ErrLimit)  

15.             {  

16.                  //Error handler:Set error flag, retry or stop.  

17.                 //Define by users  

18.                  return 1;  

19.              }  

20.         }  

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

22.          {  

23.              Delay(I2CDelay);  

24.             SCL_Low();   // Clear the SCL for Next Transmit  

25.              return 0;  

26.          }  

27.      } 

28. } 

   基于以上幾個基本的I2C通訊操作，就可以發送一個完整I2C數據幀，實現基本的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發送一個ACK。此后，MCU發送寫入寄存器的地址，并等待slave返回的ACK。響應后，MCU發送8位數據，并在收到ACK響應后發送停止位。

圖4 I2C寫入寄存器幀格式

具體實現方法可以參考以下代碼：

1. void I2C_Write_Register(unsigned char Device, unsigned char Register,unsigned char Value)  

2. {  

3.         I2C_Start();  

4.         I2C_Send_Byte(Device); //Send the device address  

5.         I2C_Wait_Ack();       //Wait for the ack signal  

6.         I2C_Send_Byte(Register); //Send the register address  

7.         I2C_Wait_Ack();       //Wait for the ack signal  

8.         I2C_Send_Byte(Value); //Send register value  

9.         I2C_Wait_Ack();  

10.         I2C_Finish(); 

11. }  

         I2C讀取：要讀取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首先發送起始位、8位Slave寫地址，并在ACK信號后發送8位的目標寄存器地址。在Slave響應該地址后，MCU重新發送一次起始位，以及8位Slave讀地址（7位地址+1b），ACK響應后MCU釋放SDA總線，并繼續發送SCL時鐘信號讀取SDA上的內容。接收完成后，MCU 發送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：

1. unsigned char I2C_Read_Byte(void)  

2. {  

3.     int t,rxData;  

4.     unsigned char receive;  

5.     SDA_Input();  

6.     for(t=0;t<8;t++)  

7.     {  

8.         SCL_Low();   // Clear the SCL 

9.         Delay(I2CDelay);  

10.          SCL_High();   // Set the SCL  

11.          receive<<=1;  

12.          rxData = SDA_Data_Register ;  

13.          if(rxData)  

14.          {  

15.              receive++;  

16.          }  

17.          Delay(I2CDelay);  

18.      }  

19.      return receive; 

20. }

          寄存器的讀方法可以參考以下代碼：

1. unsigned char I2C_Read_Register(unsigned char Device_Write,unsigned char Device_Read, unsigned char Register)  

2. {  

3.     unsigned char ReadData;  

4.     I2C_Start();  

5.     I2C_Send_Byte(Device_Write); //Send the device address  

6.     I2C_Wait_Ack();             //Wait for the ack signal  

7.     I2C_Send_Byte(Register);    //Send the register address  

8.     I2C_Wait_Ack();             //Wait for the ack signal  

9.     I2C_Start();  

10.     I2C_Send_Byte(Device_Read); //Send register value  

11.     I2C_Wait_Ack();  

12.     SDA_High();                  // Set the SDA  

13.     ReadData = I2C_Read_Byte();  

14.     I2C_NAck();  

15.     Delay(1);  

16.     I2C_Finish();  

17.     return ReadData; 

18. }  

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，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：

1. #define Device_Address_Write 0xC0  

2. #define Device_Address_Read 0xC1   

3. #define REG_1 0x01  

4. #define REG_2 0x02  

5. #define REG_3 0x03  

6. #define REG_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。

2）定義I2C通訊速率

1. #define I2CDelay 1    // Define to configure I2C rate  

       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

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

2. #define SDA_Low() {GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO7 = 1;EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}//To clear the SDA line. Disable protection for writing register  

3. #define SDA_Input() {EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=0;EDIS;}  // SDA DIR=Input  

4. #define SDA_Output(){EALLOW;GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7=1;EDIS;}  // SDA DIR=Output  

5. #define SDA_Data_Register GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7  

6. #define SCL_High() {GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO6 = 1;}     //Set the SCL line  

7. #define SCL_Low() {GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO6 = 1;}  //Clear the SCL line  

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EALLOWEDIS語句是TI C2000產品改變GPIO口方向時需要解除相應的保護，請根據具體情況進行改動。

4）定義Delay函數

1. #define Delay(A) DELAY_US(A)  

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

3.2 I2C通訊功能函數

1. void I2C_Start(void);  

2. void I2C_Finish(void);  

3. Uint16 I2C_Wait_Ack(void);  

4. void I2C_NAck(void);  

5. void I2C_Send_Byte(unsigned char xtd);  

6. unsigned char I2C_Read_Byte(void);  

表4 I2C通訊函數

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協議入手對數據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。