基于RT-Thread的STM32F4开发第五讲——软件模拟I2C

前言

本章是基于RT-Thread studio实现软件模拟I2C，开发板是正点原子的STM32F4探索者，使用的RT-Thread驱动是5.1.0，使用的I2C通讯芯片是存储芯片AT24C02，本章和前面文章不同在于I2C是软件模拟，与设备无关，所以驱动文件不会有问题，但是对于代码开发官方文档有些重要内容没有提到，本文将进行补充。

一、RT-Thread工程创建

这里只需要按前文得到一个不报错的基础工程，因为是软件模拟I2C，所以不需要去cubemx进行硬件配置。
然后去board.h找到I2C的定义区间，使能一个I2C型号，将SCL和SDA按你的使用的开发板引脚定义。我这里使能了I2C1，SCL接入的引脚是PB8，SDA接入的引脚是PB9，如下。

然后去设置中打开软件模拟I2C开关，Use GPIO to soft simulate I2C感觉重复了，开不开对工程没有影响，对于debug message开启的话可以看到I2C通讯的工作流程。

到此，I2C工程配置完成

二、AT24C02

AT24C02是接下来用到的I2C通讯芯片，我简单说明一下。
AT24C02 是一款由 低功耗串行电可擦除只读存储器（EEPROM），通过 I²C 总线进行通信。支持标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz）。
2K 位（256 字节）存储空间，分为 32 页，每页 8 字节。地址范围：0x00~0xFF（地址低3位为页内地址，高5位为页面地址）。一个页面
只能写入8字节，超过的数据将写入下一个页面。

三、函数编写

1.I2C_soft.c

先看代码，再看讲解

#include "I2C_soft.h"
#define DBG_TAG "I2C_soft"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>

#define     I2C1_NAME   "i2c1"
#define     SLAVE_ADDR  0xa0>>1

//data[0]为数据地址，后面开始是写入数据
int write_i2c1reg(rt_uint8_t *data,rt_uint8_t data_byte)
{
    rt_uint8_t i2c1_flag = 0;
    struct rt_i2c_bus_device *i2c1_bus;
    i2c1_bus = (struct rt_i2c_bus_device *)rt_device_find(I2C1_NAME);
    if(i2c1_bus == RT_NULL){
        LOG_D("failed to i2c1 bus find");
        return -1;
    }
    i2c1_flag = (rt_uint8_t)rt_i2c_master_send(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_NULL, data, data_byte);
    if(i2c1_flag != data_byte){
        LOG_D("failed to i2c1 send");
        return -1;
    }
    return 0;
}
//data_add为读数据地址
int read_i2c1reg(rt_uint8_t data_add,rt_uint8_t *data,rt_uint8_t data_byte)
{
    rt_uint8_t i2c1_flag = 0;
    struct rt_i2c_bus_device *i2c1_bus;
    i2c1_bus = (struct rt_i2c_bus_device *)rt_device_find(I2C1_NAME);
    if(i2c1_bus == RT_NULL){
        LOG_D("failed to i2c1 bus find");
        return -1;
    }
    rt_i2c_master_send(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_NULL, &data_add, 1);
    i2c1_flag = (rt_uint8_t)rt_i2c_master_recv(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_NULL, data, data_byte);
    if(i2c1_flag != data_byte){
        LOG_D("failed to i2c1 recv");
        return -1;
    }
    return 0;
}

按照图1，器件地址应该是0xa0(W)或0xa1®，最后一位为读写位，但是官方手册明确说明了不包含读写位。如下

所以，后面的函数默认传入的地址是不带最后一位的7位地址，然后根据flags标志形成8位地址作为器件地址，具体操作是将输入的地址左移1位，然后或上读写位成为最终地址，那么为了保证最终地址不出错，所以我们传入的地址就要先右移一位。
我这里使用rt_i2c_master_send和rt_i2c_master_recv写入和读出数据，代码上更简介，这两个函数就是把rt_i2c_transfer和传输的消息数组指针封装了一下。

另外对于rt_i2c_transfer函数第三个参数我觉得官网解释有误，num只能是1，否则就会出错。要符合官方文档的定义，你每次用rt_i2c_transfer只能写入一个字节，那就效率太低了。所以最好不要用这个函数，用上面两个函数，如果实在要用，那就记住num只能是1，和你数组元素个数无关。

当我们使用rt_i2c_master_send传输数据时，如果标志位flag不写入RT_I2C_NO_START /* 无开始条件 */，那么自动一开始发送一个起始位和一个器件地址字节和应答，后面就是一个数据字节一个应答，达到发送的数据个数后一个停止位，刚好符合图2中AT24C02的写入格式，所以我的写入函数没有问题。就是注意数组第一位是数据字节地址，后面才是写入的数据内容。

提示
如果分开操作，把数据地址独立出来应该如下操作。

//data_add为数据地址，data为写入数据数组
rt_i2c_master_send(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_I2C_NO_STOP, &data_add, 1);
rt_i2c_master_send(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_I2C_NO_START, data, data_byte);

可见RT_I2C_NO_STOP会去除停止位，RT_I2C_NO_START会去除起始位和器件地址字节

对于接收函数，按照图3的数据格式，先采用rt_i2c_master_send(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_NULL, &data_add, 1);发送一个读数据地址，然后使用rt_i2c_master_recv(i2c1_bus, SLAVE_ADDR, RT_NULL, data, data_byte);将读到的数据存入数组data中，data_byte是读取数据字节数，rt_i2c_master_recv的flag同理。

弄清了以上这些，遇见了其他的I2C通讯芯片，只要按照它的读写格式，就能利用rt_i2c_master_send和rt_i2c_master_recv配置出需要的格式。

2.I2C_soft.h

#ifndef APP_I2C_SOFT_H_
#define APP_I2C_SOFT_H_

#include <board.h>
//data[0]为数据地址，后面开始是写入数据
int write_i2c1reg(rt_uint8_t *data,rt_uint8_t data_byte);
int read_i2c1reg(rt_uint8_t data_add,rt_uint8_t *data,rt_uint8_t data_byte);

#endif /* APP_I2C_SOFT_H_ */

3.main.h

#include <rtthread.h>

#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>
#include "I2C_soft.h"

int main(void)
{
    rt_uint8_t i2c1_wd[] = {0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x10};
    rt_uint8_t i2c1_rd[8] = {0};
    write_i2c1reg(i2c1_wd, 10);
    rt_thread_mdelay(100);
    read_i2c1reg(0x00,i2c1_rd, 9);
    rt_thread_mdelay(100);
    for(int i = 0;i<9;i++)
    {
        rt_kprintf("i2c1 read data id 0x%x\n",i2c1_rd[i]);
    }
    read_i2c1reg(0x08,i2c1_rd, 9);
    rt_thread_mdelay(100);
    for(int i = 0;i<9;i++)
    {
        rt_kprintf("i2c1 read data id 0x%x\n",i2c1_rd[i]);
    }
    while (1)
    {
        rt_thread_mdelay(1000);
    }
    return RT_EOK;
}

四、效果展示

为什么是这样效果我就不解释了，如果你看懂了这篇文章你就知道为什么是这样了（AT24C02默认无数据写入空间值为0xff）

五、资源分享

通过网盘分享的文件：I2C_soft.zip
链接: https://pan.baidu.com/s/1k1P0mUaXDR7jJ6dwgJJ7QQ?pwd=iims 提取码: iims

总结

对于软件模拟的I2C好处是兼容性好，移植容易，对硬件设计要求不高，缺点就是传输速率很低，效率不高，占用系统资源过大。我看了一下，好像RT-Thread并没有设计硬件I2C驱动。另外RT-Thread可以安装AT24C02的软件包，可以尝试使用一下。