關于軟件模擬IIC協議GPIO究竟使用開漏還是推挽輸出（附代碼）

軟件模擬IIC的一些疑問

一、為什么選擇軟件模擬？

現在很多的開發板都支持硬件IIC，尤其筆者經常的接觸的STM32，直接調用相關函數就可以完成數據傳輸而且問題少，不明白為什么不直接使用硬件，反而要自己寫，不是會很麻煩。后來換了開發板，遇到一些bug就漸漸明白了原因了

1.可移植性強

并非所有開發板硬件IIC使用方法均一致，不同廠商之間的硬件IIC使用是不同的，比如TI開發板和STM開發板，在需要快速上手開發時軟件模擬無疑是最好的選擇，不論是什么型號的MCU均可以快速移植。

2.易于拓展

雖然一條IIC總線支持掛載多個主機與從機，但也有數量限制，掛載設備過多會導致信號噪聲，嚴重影響數據傳輸。若硬件IIC少，就必須依靠軟件模擬IIC擴容

二、推挽還是開漏？（SDA盡可能使用開漏）

網絡上有很多模擬IIC的開源代碼，但筆者十分疑惑為什么有人使用開漏輸出，有人使用推挽輸出。筆者早期學習的時候記得很清楚要使用開漏輸出，但在實際操作中發現推挽輸出也是可以進行軟件IIC的。

1.開漏

開漏輸出無法真正輸出高電平，即高電平時沒有驅動能力，必須進行外部上拉，需要借助外部上拉電阻完成對外驅動（開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平）。
開漏輸出時，P-MOS截止，N-MOS導通，當輸出數據寄存器輸出0時，經過輸出控制變為邏輯1，導通Vss，輸出高電平。反之N-MOS截至，I/O引腳呈現高阻態。很顯然可以看出芯片內部是無法輸出高電平的，只能進行外接上拉電阻依靠外部電平輸出高電平。
值得注意的是，開漏是不需要對GPIO口進行輸入輸出模式切換的，本身就可直接讀取電平狀況
開漏輸出有一個優點，通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平，比如STM32用3.3V供電，將GPIO設置為開漏輸出模式，同時引腳外部接上拉電阻到5V，則高電平時可以拉到5V，不需要接特殊的電平轉換電路或芯片

2.推挽

這里類比開漏簡單介紹，推挽不需要依靠外部即可直接輸出高低電平，但是推挽輸出不能在輸出狀態下直接讀取引腳狀態，必須進行模式切換，轉換為輸入模式
PS：為什么呢，明明推挽輸出時施密特觸發器仍在工作？
解答：推挽輸出是強輸出電流模式，在此模式下的輸出通道上的推挽結構MOS管，屬于強上拉和強下拉的，這會影響讀取輸入數據寄存器的值，強上拉意味著會將來自外部的低電平輸入強制置高，強下拉意味著會將來自外部的高電平輸入強制置低

3.推挽可以模擬IIC嗎

通過查閱資料以及實際操作，推挽是可以用作模擬IIC的，然而需要注意以下問題，并且實際使用體驗較差，可能導致通信緩慢。

（1）無法實現線與，只能固定連接一個IIC設備

將多個開漏輸出的IO口，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。

（2）注意連接的IIC設備輸出電平大小，與IO口電平容忍情況

由于使用推挽時判斷從機應答需要從機拉低/拉高SDA，也就是向IO輸入電平，如果從機輸出5V，而該IO口不能容忍5V很大概率會損壞IO口甚至MCU。

（3）多設備時序沖突問題

I2C被設計運用在多主機多從機的場景，所以不可避免地會遇到一個問題——總線沖突。
若因某種原因時序混亂導致一個IO口輸出高電平，一個輸出低電平，那么就會出現短路現象，有燒壞設備的風險。

4.注意事項

對于模擬IIC，可以SCL使用推挽輸出進行模擬，SDA使用開漏輸出，板載資源并非十分短缺則沒有必要SDA使用推挽輸出。尤其值得注意，只有單主-單從，即整條線上只有一個主機、一個從機，SCL不存在爭搶控制權的情況下，使用推挽輸出模擬SDA才沒有問題。

5.簡單介紹IIC

這里筆者還是簡單介紹一下IIC，主要是加深印象。

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IIC協議的數據傳輸主要依靠SCL和SDA兩根線，其中SDA的數據（電平信號變化）僅在SCL高電平期間有效。需要注意，數據的傳遞與接收均為高位在前，低位在后。

開始信號(START/S)： SCL為高時，SDA從高到低的跳變產生開始信號
結束信號(STOP/P)： SCL為高時，SDA從低到高的跳變產生結束信號
并且在完成數據接收與發送后主機或者從機都要進行應答（第9位），確認接收成功。
??應答信號分為兩種：
????1）當第9位(應答位)為 低電平 時，為 ACK???信號
????2）當第9位(應答位)為 高電平 時，為 NACK 信號
值得注意的是，現在很多IIC設備均具有連續讀取寫入功能，即主機或從機發送 ACK信號后，被寫入或讀取的從機會進行地址自增，從而不在重新發送開始信號，很快的提高了效率。

四、IIC通信中的問題

對于想要查找IIC通信問題，必須借助邏輯分析儀查看，不然根本無法確認發送的信號是否正確。

地址錯誤（常見硬件IIC）

這種問題常見于OLED，例如OLED的IIC地址為0x78,但事實上使用HAL庫的硬件IIC發送地址應該是0x3C | （讀寫位），原因在于IIC設備地址由8位兩部分組成，前七位為固定地址，最后一位為讀寫位。而HAL庫自帶的IIC默認只需要固定地址，讀寫位HAL庫會自動左移添加。所以我們需要人工右移IIC地址來補償HAL庫代碼。

五、附代碼

筆者通過定義相應結構體，允許不同的IIC接口調用同一套代碼，減少重復工作。需要注意的是，GPIO_PinState為HAL庫自帶的枚舉結構，需要自己根據實際修改

/**
 * @file   iic_gpio.h
 * @brief  模擬I2C的功能實現
 * @author 瀚海浮萍
 * @date   8/16/2025
 */
#include "iic_gpio.h"
// 定義引腳和端口(SDA SCL)
Temp_IIC iic1 = {GPIOA,GPIO_PIN_9,GPIOA,GPIO_PIN_8};

/*-------------------------GPIO引入()-------------------------------*/

/* 若使用CubeMX配置完成則不需要初始化 */
void I2C_GPIO_Init(Temp_IIC *iic)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 初始化SCL引腳
    GPIO_InitStruct.Pin = iic->T_SCL_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(iic->GPIO_SCL, &GPIO_InitStruct);

    // 初始化SDA引腳
    GPIO_InitStruct.Pin = iic->T_SDA_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(iic->GPIO_SDA, &GPIO_InitStruct);

    // 將SCL和SDA拉高
    HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SCL, iic->T_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SCL, iic->T_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

static void Set_High_SCL(Temp_IIC *iic)
{
      HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SCL, iic->T_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
}
static void Set_Low_SCL(Temp_IIC *iic)
{
      HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SCL, iic->T_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
static void Set_High_SDA(Temp_IIC *iic)
{
      HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SDA, iic->T_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
}
static void Set_Low_SDA(Temp_IIC *iic)
{
      HAL_GPIO_WritePin(iic->GPIO_SDA, iic->T_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
static GPIO_PinState Read_SDA(Temp_IIC *iic)
{
      return HAL_GPIO_ReadPin(iic->GPIO_SDA, iic->T_SDA_Pin);
}
static void Delay_us(volatile uint32_t delay)
{
    int last, curr, val;
    int temp;

    while (delay != 0)
    {
        temp = delay > 900 ? 900 : delay;
        last = SysTick->VAL;
        curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp;
        if (curr >= 0)
        {
            do
            {
                val = SysTick->VAL;
            }
            while ((val < last) && (val >= curr));
        }
        else
        {
            curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000;
            do
            {
                val = SysTick->VAL;
            }
            while ((val <= last) || (val > curr));
        }
        delay -= temp;
    }
}
/*-------------------------協議基礎代碼實現（除引腳枚舉外，無需用戶修改）-------------------------------*/
// 設置SCL線電平
static void I2C_Set_SCL(Temp_IIC *iic,GPIO_PinState state)        
{
    if(state)
        Set_High_SCL(iic);
    else
        Set_Low_SCL(iic);
}
// 設置SDA線電平
static void I2C_Set_SDA(Temp_IIC *iic,GPIO_PinState state)
{
    if(state)
        Set_High_SDA(iic);
    Set_Low_SDA(iic);
}
// 讀取SDA線電平
static GPIO_PinState I2C_Read_SDA(Temp_IIC *iic)
{
    return Read_SDA(iic);
}
void I2C_Delay(void)
{
    Delay_us(8);
}
//開始信號
void I2C_Start(Temp_IIC *iic)
{
    I2C_Set_SDA(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SDA(iic,GPIO_PIN_RESET);
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_RESET);
    I2C_Delay();
}
//結束信號
void I2C_Stop(Temp_IIC *iic)
{
    I2C_Set_SDA(iic,GPIO_PIN_RESET);
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SDA(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Delay();
}

// 發送一個字節，返回ACK狀態
IIC_StatusTypeDef I2C_Send_Byte(Temp_IIC *iic,uint8_t byte)
{
    for (int8_t i = 7; i >= 0; i--)
    {
        GPIO_PinState bit = (byte & (1 << i)) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET;
        I2C_Set_SDA(iic,bit);
        I2C_Delay();
        I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
        I2C_Delay();
        I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_RESET);
        I2C_Delay();
    }

    // 接收ACK
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Delay();
    GPIO_PinState ack = I2C_Read_SDA(iic);  // 讀取ACK信號
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_RESET);
    I2C_Delay();

    return (ack == GPIO_PIN_RESET) ? IIC_EOK : IIC_ERR;
}

// 讀取一個字節，并發送ACK或NACK
uint8_t I2C_Read_Byte(Temp_IIC *iic,GPIO_PinState ack)
{
    uint8_t byte = 0;
    I2C_Delay();

    for (int8_t i = 7; i >= 0; i--)
    {
        I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
        I2C_Delay();
        if (I2C_Read_SDA(iic) == GPIO_PIN_SET)
        {
            byte |= (1 << i);
        }
        I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_RESET);
        I2C_Delay();
    }

    // 發送ACK或NACK
    I2C_Set_SDA(iic,ack);  // 發送ACK或NACK
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_SET);
    I2C_Delay();
    I2C_Set_SCL(iic,GPIO_PIN_RESET);
    I2C_Delay();

    return byte;
}
/*-------------------------IIC代碼實現（無需用戶修改，直接調用即可）-------------------------------*/
/**
 * @brief       I2C向指定地址寫入一字節
 * @param       iic：軟件IIC接口   Addr：設備地址  pData：寫入數據
 * @retval      無
**/
IIC_StatusTypeDef I2C_Write_Byte(Temp_IIC *iic, uint8_t Addr, uint8_t pData)
{
    I2C_Start(iic);

    if (I2C_Send_Byte(iic,Addr << 1) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }
    if (I2C_Send_Byte(iic,pData) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    I2C_Stop(iic);
    return IIC_EOK;
}
/**
 * @brief       模擬I2C寫入函數，類似HAL_I2C_Mem_Write，僅支持8位地址
 * @param       iic：軟件IIC接口   devAddr：設備地址   memAddr：內存地址   pData：寫入數據   size：寫入字節數
 * @retval      無
**/
IIC_StatusTypeDef G_I2C_Mem_Write(Temp_IIC *iic, uint8_t devAddr, uint8_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size)
{
    I2C_Start(iic);

    if (I2C_Send_Byte(iic,devAddr << 1) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    if (I2C_Send_Byte(iic,memAddr) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    for (uint16_t i = 0; i < size; i++)
    {
        if (I2C_Send_Byte(iic,pData[i]) != IIC_EOK)
        {
            I2C_Stop(iic);
            return IIC_ERR;
        }
    }

    I2C_Stop(iic);
    return IIC_EOK;
}
/*
 * @brief       模擬I2C讀取函數，類似HAL_I2C_Mem_Read，僅支持8位地址
 * @param       iic：軟件IIC接口   devAddr：設備地址   memAddr：內存地址   pData：讀出數據存儲   size：讀出字節數
 * @retval      無
**/
IIC_StatusTypeDef G_I2C_Mem_Read(Temp_IIC *iic, uint8_t devAddr, uint8_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size)
{
    I2C_Start(iic);

    if (I2C_Send_Byte(iic, devAddr << 1) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    if (I2C_Send_Byte(iic, memAddr) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    I2C_Start(iic);  // 重新啟動信號

    if (I2C_Send_Byte(iic,(devAddr << 1) | 0x01) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    for (uint16_t i = 0; i < size; i++)
    {
        pData[i] = I2C_Read_Byte(iic,(i == size - 1) ? I2C_NACK : I2C_ACK);
    }

    I2C_Stop(iic);
    return IIC_EOK;
}

/*
 * @brief       模擬I2C寫入函數，僅支持16位地址
 * @param       iic：軟件IIC接口   devAddr：設備地址   memAddr：內存地址   pData：寫入數據   size：寫入字節數
 * @retval      無
**/
IIC_StatusTypeDef I2C_Mem_Write(Temp_IIC *iic, uint8_t devAddr, uint16_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size)
{
    I2C_Start(iic);

 if (I2C_Send_Byte(iic,devAddr << 1) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 發送高位地址字節
    if (I2C_Send_Byte(iic,(uint8_t)(memAddr >> 8)) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 發送低位地址字節
    if (I2C_Send_Byte(iic,(uint8_t)(memAddr & 0xFF)) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 發送數據
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++)
    {
        if (I2C_Send_Byte(iic,pData[i]) != IIC_EOK)
        {
            I2C_Stop(iic);
            return IIC_ERR;
        }
    }

    I2C_Stop(iic);
    return IIC_EOK;
}

/*
 * @brief       模擬I2C讀取函數，僅支持16位地址
 * @param       iic：軟件IIC接口   devAddr：設備地址   memAddr：內存地址   pData：讀出數據   size：讀出字節數
 * @retval      無
**/
IIC_StatusTypeDef I2C_Mem_Read(Temp_IIC *iic,uint8_t devAddr, uint16_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size)
{
    I2C_Start(iic);

    if (I2C_Send_Byte(iic,devAddr << 1) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 發送高位地址字節
    if (I2C_Send_Byte(iic,(uint8_t)(memAddr >> 8)) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 發送低位地址字節
    if (I2C_Send_Byte(iic,(uint8_t)(memAddr & 0xFF)) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    I2C_Start(iic);  // 重新啟動信號

    if (I2C_Send_Byte(iic,(devAddr << 1) | 0x01) != IIC_EOK)
    {
        I2C_Stop(iic);
        return IIC_ERR;
    }

    // 接收數據
    for (uint16_t i = 0; i < size; i++)
    {
        pData[i] = I2C_Read_Byte(iic,(i == size - 1) ? I2C_NACK : I2C_ACK);
    }

    I2C_Stop(iic);
    return IIC_EOK;
}

/**
 * @file iic_gpio.h
 * @brief 模擬I2C的功能實現
 * @author 瀚海浮萍
 * @date 8/16/2025
 */
#ifndef _IIC_GPIO_H_
#define _IIC_GPIO_H_
/*-----------------------根據實況進行修改-------------------------------*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#define CPU_FREQUENCY_MHZ    72 // STM32時鐘主頻
/*-----------------------以下無需進行修改-------------------------------*/
// 定義 I2C ACK 和 NACK
#define I2C_ACK   GPIO_PIN_RESET
#define I2C_NACK  GPIO_PIN_SET
/* IIC結構定義 */
typedef struct{
    GPIO_TypeDef *GPIO_SDA;
    uint16_t T_SDA_Pin;
    GPIO_TypeDef *GPIO_SCL;
    uint16_t T_SCL_Pin;
}Temp_IIC;
typedef enum
{
    IIC_EOK  = 0x00U,
    IIC_ERR  = 0x01U
}IIC_StatusTypeDef;
/*-----------------------用戶直接外部調用-------------------------------*/
extern Temp_IIC iic1;         
void I2C_GPIO_Init(Temp_IIC *iic);
void I2C_Delay(void);
void I2C_Start(Temp_IIC *iic);
void I2C_Stop(Temp_IIC *iic);
uint8_t I2C_Read_Byte(Temp_IIC *iic,GPIO_PinState ack);
IIC_StatusTypeDef I2C_Send_Byte(Temp_IIC *iic,uint8_t byte);

/*-------------------------用戶API調用-------------------------------*/
// I2C API函數聲明(向指定地址寫入一字節 僅支持8位地址)
IIC_StatusTypeDef I2C_Write_Byte(Temp_IIC *iic, uint8_t Addr, uint8_t pData);
// I2C API函數聲明(僅支持16位地址)
IIC_StatusTypeDef I2C_Mem_Write(Temp_IIC *iic ,uint8_t devAddr, uint16_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size);
IIC_StatusTypeDef I2C_Mem_Read(Temp_IIC *iic ,uint8_t devAddr, uint16_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size);

// I2C API函數聲明(僅支持8位地址)
IIC_StatusTypeDef G_I2C_Mem_Write(Temp_IIC *iic, uint8_t devAddr, uint8_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size);
IIC_StatusTypeDef G_I2C_Mem_Read(Temp_IIC *iic, uint8_t devAddr, uint8_t memAddr, uint8_t *pData, uint16_t size);


#endif /* __IIC_GPIO_H */

posted @ 2025-08-07 18:56 瀚海浮萍閱讀(473) 評論(0) 收藏舉報

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