[技術] 用GPIO實做I2C介面(Bit-Banging)

Written on 12:00 上午 by Yu Lai

最近工作上需要去讀寫I2C介面的IC，
是顆用來量測環境溫度的IC－LM75。
I2C是由2支腳－SDA和SCL所組成的並聯介面，
所有I2C的IC都接在這2支腳上，
I2C相關資訊可以自行到Google或wiki找找。

而我們的板子的CPU本身沒有I2C的介面，
它是透過2支GPIO腳來連接LM75，
所以就必須以軟體的方式來控制GPIO來模擬I2C的Signal，
以上的實做也被稱做Bit-Banging。

照著LM75的Datasheet和網路上相關的資料，
還蠻順利的完成整個Bit-Banging的實做。

以下就是相關實做的source code。

#define SCL_PORT  6
#define SDA_PORT  23

#define ADDR_LM75  0x94 /* 1001 010 x */
#define I2C_DELAY_TIME  10 /* us */

#define ACK   1
#define NO_ACK   0

首先是會用到的#define。
SCL腳位是使用GPIO6，SDA是使用GPIO23。
而LM75使用的Address則是固定的1001配上
板子上A2,A1,A0腳位所接的電位的010當前7個bit。
另外，由於I2C算是比較慢的介面，所以要有個delay time。

void i2c_init(void) {

 /* Enable SDA & SCL gpio port */
 gpio_enable(SDA_PORT);
 gpio_enable(SCL_PORT);

 /* Set SDA & SCL to High */
 gpio_set(SDA_PORT, __HIGH__);
 gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__);
 
}

這裡是將GPIO腳位設定啟動，並將SDA和SCL電位設成HIGH，
完成Initial的動作。

void i2c_start(void) {

 /* I2C start sequence is defined as 
  * a High to Low Transition on the data
  * line as the CLK pin is high */
  
 gpio_set(SDA_PORT, __HIGH__);  /* SDA: High */
 gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__);  /* SCL: High */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 
 gpio_set(SDA_PORT, __LOW__);  /* SDA: Low */
 gpio_set(SCL_PORT, __LOW__);  /* SCL: Low */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 
}

void i2c_stop(void) {
  
 /* I2C stop sequence is defined as 
  * data pin is low, then CLK pin is high,
  * finally data pin is high. */

 gpio_set(SDA_PORT, __LOW__);  /* SDA: Low */
 gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__);  /* SCL: High */
 gpio_set(SDA_PORT, __HIGH__);  /* SDA: High */
 
}

如source code裡我comment所寫的，
I2C介面溝通的start就是SDA和SCL都是由本來保持的High變成Low所開始。
而stop就是SDA和SCL由High-Low傳遞資料之間變為High持續下去。

void i2c_write(unsigned char data) {
  
 /* An I2C output byte is bits 7-0
   * (MSB to LSB).  Shift one bit at a time
  * to the MDO output, and then clock the
  * data to the I2C Slave */

 unsigned char i;

 /* Write to slave */
 for(i = 0; i < 8; i++) {
  gpio_set(SDA_PORT, (data&0x80)?1:0); /* Send data bit */
  data <<= 1;   /* Shift one bit */
  gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__); /* SCL: High */
  HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
  gpio_set(SCL_PORT, __LOW__); /* SCL: Low */
  HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 }

 /* Read ACK bit from slave */
 gpio_get(SDA_PORT);
 gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__);  /* SCL: High */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 gpio_set(SCL_PORT, __LOW__);  /* SCL: Low */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 
}

unsigned char i2c_read(unsigned char send_ack) {
  
 unsigned char i, data;

 data = 0x00;

 /* Read from slave */
 for(i = 0; i < 8; i++) {
  data <<= 1;   /* Shift one bit */
  data |= gpio_get(SDA_PORT); /* Read data bit */
  gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__); /* SCL: High */
  HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
  gpio_set(SCL_PORT, __LOW__); /* SCL: Low */
  HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 }

 /* Send ACK bit to slave */
 if(send_ack)
  gpio_set(SDA_PORT, __LOW__); /* SDA: Low */
 else
  gpio_set(SDA_PORT, __HIGH__); /* SDA: High */
 gpio_set(SCL_PORT, __HIGH__);  /* SCL: High */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);
 gpio_set(SCL_PORT, __LOW__);  /* SCL: Low */
 HAL_DELAY_US(I2C_DELAY_TIME);

 return data;
 
}

接著就是傳送的過程了，
一般I2C都是由高位先寫入(這個不一定，要看Datasheet)。
在寫入時，Master(指CPU)先把SDA設成寫入的bit，
再把SCL依照我們delay的時間來做clock signal的產生(low->high->low->...)。
接著重複上面的動作依序把整個byte都寫入。
寫完整個byte後要讀取一下Slave(指LM75)所回傳的ACK bit。

而在讀取時，一樣先讀入SDA的電位當成data的bit，
再把SCL產生clock signal給Slave，
Slave在收到clock signal後會在SDA上變動電位把資料依序傳出來。
所以同樣的重複上面的動作就可以把組合出整個byte的資料。
當Master讀完byte後也要有回傳ACK的動作來告知是否繼續有下一個byte要讀取。

int get_lm75_temp(void) {

 unsigned char msb = 0x00, lsb = 0x00;

 i2c_start();
 i2c_write(ADDR_LM75);  /* Ask LM75 write */
 i2c_write(0x00);
 
 i2c_start();

 i2c_write(ADDR_LM75+1); /* Ask LM75 read */
 msb = i2c_read(ACK);
 lsb = i2c_read(NO_ACK);
 i2c_stop();
 
 return (msb << 8) | lsb;
 
}

最後，照著LM75的Datasheet，
Master先傳送address byte給Slave，
Slave在收到address後會先比對自己A2,A1,A0，
若符合再依照address byte的最後一個bit來回應之後的動作，
若為0則是write動作，若為1則是read動作。

所以我們要讀取現在溫度資料時，
CPU先把address byte+0給寫到LM75，告知接下來要寫入register設定，
接著把0x00寫入表示要讀取第0個register，也就是現在的溫度。
再來就是重新開始先寫入address byte+1給LM75，告知要讀取資料。
接著就把溫度資料讀出，共2個byte，所以讀了2次囉。
最後就是把資料組合起來return出去囉。

Posted in 技術, C, Embedded

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