基于模拟 I2C 的数据抽象实例

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了基于模拟 I2C 的数据抽象实例相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1.写在前面

i2c总线是由PHILIPS公司开发的一种简单、「双向二线制同步串行总线」。关于i2c的使用,并不陌生,C51、ARM、MSP430等,都基本集成硬件i2c,或者不集成i2c的,可以根据总线时序图使用普通IO口翻转模拟一根i2c总线。
对于流行的stm32饱受诟病的硬件i2c,相信很多人都是使用模拟i2c。模拟i2c的源码比较多,大多都是大同小异,对于各类例程,提供的模拟i2c似乎都不是太规范(个人见解),特别是一根i2c总线挂多个外设、模拟多根i2c总线、以及更换一个i2c外设时,都需要大幅度修改源码、复制源码、重新调试时序等重复的工作。
在阅读过Linux设备驱动框架和RT-Thread的驱动框架,发现在总线分层上处理就特别好,完美解决了上述提及的问题。参考RT-Thread和Linux下的模拟i2c,整理修改在裸机上使用。

2.Linux、RT-Thread设备驱动模型

  1. 模型分为总线驱动和设备驱动;
  2. 总线驱动与外设驱动分离,方便一根总线挂多个外设,方便移植;
  3. 底层(与硬件相关)与上层分离,方便添加总线及移植到不同处理器,移植到其他处理器,只需重新实现硬件相关的“寄存器”层即可;

3.MCU下裸机形式i2c总线抽象

此部分实现源码为:i2c_core.c i2c_core.h

1)i2c总线抽象对外接口(API)

“i2c_bus_xfer”为i2c封装对外的API,函数原型如下,提供一个函数模型,具体需要实例化函数指针。

int i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num) 
{  
	int size;    
	size = dev->xfer(dev,msgs,num);   
	return size; 
}
  • a)此函数即作为驱动外设的对外接口,所有操作通过此函数接口,与底层总线实现分离,如EEPROM、RTC、温度传感器等;

  • b)一个对外函数已经实现90%的情况使用,对应一些特殊情况,后期再完善或增加API。

  • c)struct i2c_dev_device *i2c_dev

2)i2c总线抽象API参数

  • a)i2c_dev:i2c设备指针,类型为“struct i2c_dev_device”,驱动一个i2c外设时,首先要对此指针设备初始化;

  • b)msgs:i2c一帧数据,发送数据及存放返回数据的缓存;

  • c)num:数据帧数量。

3)struct i2c_dev_device

该结构体为关键,调用API驱动外设时,首先对此初始化(类似于Linux/RT-Thread注册设备)。完整的设备包括两部分,数据操作函数和i2c相关信息(如硬件i2c或者模拟i2c)。因此“struct i2c_dev_device”的原型为:

struct i2c_dev_device
{
    int (*xfer)(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num);
    void *i2c_phy;
};

  • a)第一个参数是函数指针,数据收发通过此函数指针调用实体函数实现;

  • b)第二个参数是一个void指针,初始化时指向我们使用的物理i2c(硬件/模拟),使用时可强制转换为对应的类型。

4)xfer

该函数与i2c总线设备对外接口函数“i2c_bus_xfer”具有相同的参数,形参参数参考此项的第2点,初始化时实例化指向实体函数。

5)struct i2c_dev_message

“struct i2c_dev_message”为i2c总线访问外设的一帧数据信息,包括发送数据、外设从地址、访问标识等。原型如下:

struct i2c_dev_message
{
 	unsigned short  addr;
 	unsigned short flags;
	unsigned short size;
	unsigned char *buff;
	unsigned char   retries;  
};
  • a)addr:i2c外设从机地址,常用为7位,10位较少用;

  • b)flags:标识,发送、接收、应答、地址位选择等标识;几种标识如下:

#define I2C_BUS_WR             0x0000
#define I2C_BUS_RD             (1u << 0)
#define I2C_BUS_ADDR_10BIT     (1u << 2)
#define I2C_BUS_NO_START      (1u << 4)
#define I2C_BUS_IGNORE_NACK    (1u << 5)
#define I2C_BUS_NO_READ_ACK    (1u << 6)
  • c)size:发送的数据大小,或者接收的缓存大小;

  • d)buff:缓存区;

  • e)retries:i2c启动失败时,重启的次数。

4.模拟i2c抽象

对于模拟i2c,在以往的实现方式中,基本是时序图和外设代码混合在一起,增加外设或者使用新的i2c外设时,需要对模拟i2c代码进行较大工作量的修改,或者以“复制”的方式实现一套新的i2c总线。

但同理,可以把模拟i2c时序部分代码抽象出来,以“复用”代码的形式实现。此部分实现源码为:i2c_bitops.c i2c_bitops.h

1)模拟i2c抽象对外接口

根据上述封装的对外API,使用时,首先需要实现入口参数“i2c_dev”实例化,用模拟i2c即是调用模拟i2c相关接口。

int i2c_bitops_bus_xfer(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned long num)
{
 struct i2c_dev_message *msg;
 unsigned long i;
 unsigned short ignore_nack;
 int ret;
 
 ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;
 i2c_bitops_start(i2c_bus);       
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        msg = &msgs[i];
        if (!(msg->flags & I2C_BUS_NO_START))
        {
            if (i)
            {
                i2c_bitops_restart(i2c_bus); 
            }
            ret = i2c_bitops_send_address(i2c_bus,msg);
            if ((ret != 0) && !ignore_nack)
                goto out;
        }
        if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
        {//read
            ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
            if(ret < msg->size)
            {
                ret = -1;
                goto out;
            }
        }
        else
        {//write
            ret = i2c_bitops_bus_write(i2c_bus,msg);
            if(ret < msg->size)
            {
                ret = -1;
                goto out;
            }
        }
    }
 ret = i;
out:
 i2c_bitops_stop(i2c_bus);
  
 return ret;
}
int ops_i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *i2c_dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
 return (i2c_bitops_bus_xfer((struct ops_i2c_dev*)(i2c_dev->i2c_phy),msgs,num));
}
  • a)模拟一根i2c总线时,对外的操作函数都通过上诉函数;i2c信息帧相关参数由上层调用传递进入,此处主要增加“struct ops_i2c_dev”的封装;

  • b)该函数使用到的函,其中入口参数为“struct ops_i2c_dev”类型的都是模拟i2c相关;

  • d)模拟i2c封装实现主要针对“struct ops_i2c_dev”原型的实例化。

2)struct ops_i2c_dev

“struct ops_i2c_dev”原型如下:

struct ops_i2c_dev
{
        void (*set_sda)(int8_t state);
        void (*set_scl)(int8_t state);
        int8_t (*get_sda)(void);
        int8_t (*get_scl)(void);
        void (*delayus)(uint32_t us);
};
  • a)set_sda:数据线输出;

  • b)set_scl:时钟线输出;

  • c)get_sda:数据线输入(捕获);

  • d)get_scl:时钟线输入(捕获);

  • e)delayus:延时函数;

要实现一个模拟i2c,只需将上诉函数指针的实体实现即可,具体看后面描述。

3)模拟i2c时序

以产生i2c起始信号函数为例子,简要分析:

static void i2c_bitops_start(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
{
    i2c_bus->set_sda(0);                                          
    i2c_bus->delayus(3);
    i2c_bus->set_scl(0);                                                       
}

入口参数为struct ops_i2c_dev * i2c_bus,其实就是i2c_bitops_bus_xfer应用层函数传入的参数,最终是在此调用,底层需要实现的就是io模拟的输入/输出状态函数。

其他函数,如

static void i2c_bitops_restart(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
static char i2c_bitops_wait_ack(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
static int i2c_bitops_send_byte(struct ops_i2c_dev*i2c_bus,unsigned char data)

等等,入口参数都是i2c_bus,时序实现与常规裸机程序设计是一致的,不同的是函数指针的分离调用,具体看附件源码。

4)标识位

在以往的模拟i2c或者硬件i2c中,操作外设时都有各类情况,如读和写方向的切换、连续操作(不需启动i2c总线,如写EEPROM,先写地址再写数据)等。对于这类情况,我们处理办法是选择相关的宏标识即可,具体实现由“中间层”实现,让i2c外设驱动起来更简单!以上述对外函数为例:

  • a)通过标识位判断是读还是写状态
if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
{//read
    ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
    if(ret < msg->size)
    {
        ret = -1;
        goto out;
    }
}
  • b)应答状态标识
ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;

5)读写函数

读写函数最终是通过io口1bit的翻转模拟出时序,从而获得数据,这部分与常规模拟i2c一致,通过函数指针方式操作。主要实现接口函数:

static unsigned long i2c_bitops_bus_write(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message *msg);
static unsigned long i2c_bitops_bus_read(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message *msg);

5.模拟i2c总线实现

此部分实现源码为:i2c_hw.c i2c_hw.h

以stm32f1为硬件平台,采用上述模拟i2c封装,实现一根模拟i2c总线。

1)实现struct ops_i2c_dev函数实体

除了“delayus”函数外,其余为io翻转,以“set_sda”和“delayus”为例,实现如下:

static void gpio_set_sda(int8_t state)
{
    if (state)
     I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;
    else
     I2C1_SDA_PORT->BRR = I2C1_SDA_PIN;
}
static void gpio_delayus(uint32_t us)
{
#if 0  
    volatile int32_t i;
 
    for (; us > 0; us--)
    {
        i = 30;  //mini 17
        while(i--);
    }
#else
        Delayus(us);
#endif
}
  • a)为例提高速率,上诉代码采用寄存器方式操作,可以用库函数操作io口;

  • b)延时可以用硬件定时器延时,或者软件延时,具体根据cpu时钟计算;

  • c)其他源码看附件中“i2c_hw.c”

2)初始化一根模拟i2c总线

void stm32f1xx_i2c_init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;          
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);  
 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C1_SDA_PIN | I2C1_SCL_PIN;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;      
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;      
 GPIO_Init(I2C1_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);               
 I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;            
 I2C1_SCL_PORT->BSRR = I2C1_SCL_PIN;
 
 //device init
 ops_i2c1_dev.set_sda = gpio_set_sda;
 ops_i2c1_dev.get_sda = gpio_get_sda;
 ops_i2c1_dev.set_scl = gpio_set_scl;
 ops_i2c1_dev.get_scl = gpio_get_scl;
 ops_i2c1_dev.delayus = gpio_delayus;
  
 i2c1_dev.i2c_phy   = &ops_i2c1_dev;
 i2c1_dev.xfer    = ops_i2c_bus_xfer; 
}
  • a)i2c io初始化;

  • b)i2c设备实例化,其中“ops_i2c1_dev”和“i2c1_dev”即是我们定义的总线设备,后面使用该总线时主要通过“i2c1_dev”实现对底层的调用。

6.驱动EEPROM(AT24C16)

此部分实现源码为:24clxx.c 24clxx.h

上面总线完成后,驱动一个i2c外设可以说就是信手拈来的事情了,而且模拟i2c总线抽象出来后,不需在做重复调试时序的工作。

假设初始化的i2c设备为i2c1_dev。

1) 写EEPROM。

写一个字节,页写算法详细见源码附件(24clxx.c):

char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[1];
     u8 buf[3];
     u8  slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {       
         slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
         buf[0] = (addr >>8)& 0xff;   
         buf[1] = addr & 0xff;
         buf[2] = data;
         ee24_msg[0].size  = 3;
     }
     else
     {
         slave_addr = EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
         buf[0] = addr & 0xff;
         buf[1] = data;
         ee24_msg[0].size = 2;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff = buf;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,1);
  
     return 0;
}

2)读EEPROM

voidee_24clxx_readbytes(u16 read_ddr, char* pbuffer, u16 read_size)
{ 
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8     slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (read_ddr>>8)& 0xff;
          buf[1] = read_ddr& 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (read_ddr>>8);
          buf[0] = read_ddr & 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[0].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[1].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_RD;
     ee24_msg[1].buff  = (u8*)pbuffer;
     ee24_msg[1].size  = read_size;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
}

3)注意事项

驱动一个外设相对容易了,注意的事项就是标识位部分。

  • a)此处外设地址(addr),是实际地址,不含读写位(7bit),比如AT24C16外设地址为0x50,可能大家平常用的是0xA0,因为包括读写位;

  • b)写数据时,如果以2帧i2c_dev_message消息发送,需要注意“I2C_BUS_NO_START”宏,此宏标识意思是不需要再次启动i2c了,一般看i2c外设手册时序图可知道。如写EEPROM是先写地址,然后写数据这个过程是连续的,此时就需用到“I2C_BUS_NO_START”标识。程序可改成这样:

char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8 slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {                                   
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (addr>>8)& 0xff;  
          buf[1] = addr &0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
           slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
           buf[0] = addr &0xff;
           ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[1].addr = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_WR |I2C_BUS_NO_START;
     ee24_msg[1].buff  = &data;
     ee24_msg[1].size  = 1;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
          
     return 0;
}

4)其他

理解之后,或者使用过Linux、RT-Thread的驱动框架的,再驱动其他i2c外设,就是很容易的事情了,剩下的就是配置寄存器、应用算法的问题了。

7.总结

1)整体思路比较易理解,本质就是函数指针,将与硬件底层无关的部分抽象出来,相关联的地方分层明确,通过函数指针的方式进行调用。

2)事务分离,通用、重复的事情交给总线处理,特殊任务留给外设驱动。

8.相关例子

【1】LM75A温度传感器使用:

https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/79140266

【2】LP55231 LED驱动使用:

https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/78933482

9.源码

【1】https://github.com/Prry/drivers-for-mcu

10.参考

【1】 https://github.com/RT-Thread/rt-thread

【2】 https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/78550427

来源:https://acuity.blog.csdn.net/article/

以上是关于基于模拟 I2C 的数据抽象实例的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

基于硬件 SPI 的数据抽象实例(附代码)

基于硬件 SPI 的数据抽象实例

51单片机基于I2C总线的秒表模拟应用

用于非基于 I2C/SPI 的传感器的 Linux 内核驱动程序(用于模拟传感器)

基于I2C/SPI的温湿度采集与OLED显示

STM32基于I2C的AHT20温湿度数据采集