STM32G0开发笔记：I2C接口软件模拟与GXHT30温湿度模块

使用Platformio平台的libopencm3开发框架来开发STM32G0，以下使用软件模拟I2C总线时序，并用它来读取GXHT30温湿度数据。

1 新建项目

• 建立gxht30项目

在PIO的Home页面新建项目，项目名称gxht30，选择开发板为 MonkeyPi_STM32_G070RB，开发框架选择libopencm3；

• 项目建立完成后在src目录下新建main.c主程序文件；
• 修改下载和调试方式，这里开发板使用的是DAPLink仿真器，因此修改platformio.ini文件如下：

1upload_protocol = cmsis-dap
2debug_tool = cmsis-dap

2 I2C软件模拟

2.1 文件结构

在lib目录新建 sw_i2c 文件夹，并新建如下文件：

2.2 sw_i2c_port.h 与底层IO读写相关

1/**
 2 * @file sw_i2c_port.h
 3 * @author MakerInChina (makerinchina.cn)
 4 * @brief 
 5 * @version 0.01
 6 * @date 2022-09-25
 7 * 
 8 * @copyright Copyright (c) 2022
 9 * 
10 */
11
12#ifndef _SW_I2C_PORT_HEAD_H_
13#define _SW_I2C_PORT_HEAD_H_
14
15#include 3/stm32/rcc.h>
16#include 3/stm32/gpio.h>
17
18#define    SW_I2C_SCL_CLOCK        RCC_GPIOB
19#define SW_I2C_SCL_PORT           GPIOB
20#define SW_I2C_SCL_PIN            GPIO13
21
22#define    SW_I2C_SDA_CLOCK        RCC_GPIOB
23#define SW_I2C_SDA_PORT           GPIOB
24#define SW_I2C_SDA_PIN            GPIO14
25
26#define sw_i2c_scl_high()       gpio_set(SW_I2C_SCL_PORT, SW_I2C_SCL_PIN)
27#define sw_i2c_scl_low()        gpio_clear(SW_I2C_SCL_PORT, SW_I2C_SCL_PIN)
28#define sw_i2c_sda_high()       gpio_set(SW_I2C_SDA_PORT, SW_I2C_SDA_PIN)
29#define sw_i2c_sda_low()        gpio_clear(SW_I2C_SDA_PORT, SW_I2C_SDA_PIN)
30
31#define sw_i2c_sda_input()      gpio_mode_setup(SW_I2C_SDA_PORT, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, SW_I2C_SDA_PIN)
32#define sw_i2c_sda_output()     gpio_mode_setup(SW_I2C_SDA_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, SW_I2C_SDA_PIN)
33
34// #define sw_i2c_delay()       delay_us(5)
35#define sw_i2c_delay()          do{                                     \\
36                                    for (int i=0; i<58; i++) {          \\
37                                        __asm__ volatile ("nop");       \\
38                                    }                                   \\
39                                }while(0)
40static bool sw_i2c_sda_get(void) 
41{
42    return (gpio_get(SW_I2C_SDA_PORT, SW_I2C_SDA_PIN) != 0) ? true:false;
43} 
44
45static void sw_i2c_port_init()
46{
47    /* 打开GPIO时钟 */
48    rcc_periph_clock_enable(SW_I2C_SCL_CLOCK);
49    rcc_periph_clock_enable(SW_I2C_SDA_CLOCK);
50
51    /* 禁用默认上拉，使SCL, SDA保持高阻状态, 设置为 OD 模式 */
52    gpio_mode_setup(SW_I2C_SCL_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, SW_I2C_SCL_PIN);
53    gpio_mode_setup(SW_I2C_SDA_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, SW_I2C_SDA_PIN);
54    gpio_set_output_options(SW_I2C_SCL_PORT, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_25MHZ, SW_I2C_SCL_PIN);
55    gpio_set_output_options(SW_I2C_SDA_PORT, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_25MHZ, SW_I2C_SDA_PIN);
56
57    /* 空闲: 拉高SCL和SDA */
58    gpio_set(SW_I2C_SCL_PORT, SW_I2C_SCL_PIN);
59    gpio_set(SW_I2C_SDA_PORT, SW_I2C_SDA_PIN);
60}
61
62#endif //!_SW_I2C_PORT_HEAD_H_

i2c时序中的延时这里使用软件延时，模拟的是 100KHz的频率；

2.3 sw_i2c_private.h 实现i2c的基本时序

1/**
  2 * @file sw_i2c_private.h
  3 * @author MakerInChina (makerinchina.cn)
  4 * @brief 
  5 * @version 0.01
  6 * @date 2022-09-25
  7 * 
  8 * @copyright Copyright (c) 2022
  9 * 
 10 */
 11
 12#ifndef _SW_I2C_PRIVATE_HEAD_H_
 13#define _SW_I2C_PRIVATE_HEAD_H_
 14
 15#include "sw_i2c_port.h"
 16
 17static void i2c_start(void);
 18static void i2c_stop(void);
 19static bool i2c_wait_ack(void);
 20static void i2c_send_ack(void);
 21static void i2c_send_nack(void);
 22static void i2c_send_byte(uint8_t data);
 23static uint8_t i2c_recv_byte(bool ack);
 24
 25/**
 26 * @brief I2C总线启动信号
 27 */
 28static void i2c_start(void)
 29{
 30    /* 当SCL高电平时，SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号 */
 31    sw_i2c_sda_high();
 32    sw_i2c_scl_high();
 33    sw_i2c_delay();
 34    sw_i2c_sda_low();
 35    sw_i2c_delay();
 36    sw_i2c_scl_low();
 37    sw_i2c_delay();
 38}
 39
 40/**
 41 * @brief I2C总线停止信号
 42 */
 43static void i2c_stop(void)
 44{
 45    /* 当SCL高电平时，SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号 */
 46    sw_i2c_sda_low();
 47    sw_i2c_delay();
 48    sw_i2c_scl_high();
 49    sw_i2c_delay();
 50    sw_i2c_sda_high();
 51}
 52
 53/**
 54 * @brief 向I2C总线设备发送1个字节
 55 * @param data 等待发送的字节
 56 */
 57static void i2c_send_byte(uint8_t data)
 58{
 59    uint8_t i;
 60
 61    /* 先发送字节的高位bit7 */
 62    for (i = 0; i < 8; i++) {
 63        sw_i2c_delay();
 64        sw_i2c_scl_low();
 65
 66        if (data & 0x80) {
 67            sw_i2c_sda_high();
 68        } else {
 69            sw_i2c_sda_low();
 70        }
 71
 72        sw_i2c_delay();
 73        sw_i2c_scl_high();
 74
 75        data <<= 1;    /* 左移一个bit */
 76    }
 77}
 78
 79/**
 80 * @brief 产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
 81 * @return 返回true表示正确应答，false表示无器件响应
 82 */
 83static bool i2c_wait_ack(void)
 84{
 85    bool res;
 86
 87    sw_i2c_delay();
 88    sw_i2c_scl_low();
 89
 90    sw_i2c_sda_input();
 91
 92    sw_i2c_delay();
 93    sw_i2c_scl_high();    /* 驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
 94    sw_i2c_delay();
 95    if (sw_i2c_sda_get() == false) { /* 读取SDA口线状态 */
 96        res = true;
 97    } else {
 98        res = false;
 99    }
100    sw_i2c_scl_low();
101    sw_i2c_sda_high();    /* 释放SDA总线 */
102    sw_i2c_sda_output();
103    sw_i2c_delay();
104
105    return res;
106}
107
108/**
109 * @brief 产生一个ACK信号
110 */
111static void i2c_send_ack(void)
112{
113    sw_i2c_sda_low();    /* CPU驱动SDA = 0 */
114    sw_i2c_delay();
115    sw_i2c_scl_high();    /* CPU产生1个时钟 */
116    sw_i2c_delay();
117    sw_i2c_scl_low();
118    sw_i2c_delay();
119    sw_i2c_sda_high();    /* CPU释放SDA总线 */
120}
121
122/**
123 * @brief CPU产生1个NACK信号
124 */
125static void i2c_send_nack(void)
126{
127    sw_i2c_sda_high();    /* CPU驱动SDA = 1 */
128    sw_i2c_delay();
129    sw_i2c_scl_high();    /* CPU产生1个时钟 */
130    sw_i2c_delay();
131    sw_i2c_scl_low();
132    sw_i2c_delay();
133}
134
135/**
136 * @brief CPU从I2C总线设备读取8bit数据
137 * 读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
138 * @return
139 */
140static uint8_t i2c_recv_byte(bool ack)
141{
142    uint8_t i;
143    uint8_t value;
144
145    /* 读到第1个bit为数据的bit7 */
146    value = 0;
147    for (i = 0; i < 8; i++) {
148        value <<= 1;
149        sw_i2c_scl_high();
150        sw_i2c_delay();
151        if (sw_i2c_sda_get()==true) {
152            value++;
153        }
154        sw_i2c_scl_low();
155        sw_i2c_delay();
156    }
157
158    if (ack) {
159        i2c_send_ack(); //发送ACK
160    } else {
161        i2c_send_nack();//发送nACK
162    }
163
164    return value;
165}
166
167#endif //!_SW_I2C_PRIVATE_HEAD_H_

2.4 sw_i2c 读写实现

1/**
  2 * @file sw_i2c.c
  3 * @author MakerInChina (makerinchina.cn)
  4 * @brief 
  5 * @version 0.01
  6 * @date 2022-09-25
  7 * 
  8 * @copyright Copyright (c) 2022
  9 * 
 10 */
 11
 12#include "sw_i2c.h"
 13#include "sw_i2c_port.h"
 14#include "sw_i2c_private.h"
 15
 16void sw_i2c_init()
 17{
 18    sw_i2c_port_init();
 19}
 20
 21/* Function to setup and execute I2C transfer request */
 22bool sw_i2c_transfer(uint8_t dev_addr, uint8_t *tx_buffer,uint16_t tx_size,uint8_t *rx_buffer,uint16_t rx_size)
 23{
 24    uint16_t i;
 25
 26    if (tx_size > 0) {
 27        /* start */
 28        i2c_start();
 29        /* address + write */
 30        i2c_send_byte(dev_addr<<1);
 31        if (i2c_wait_ack() == false) {
 32            goto error_device_nack;
 33        }
 34        /* write data */
 35        for (i=0; i36            i2c_send_byte(tx_buffer[i]);
 37            if (i2c_wait_ack() == false) {
 38                goto error_device_nack;
 39            }
 40        }
 41    }
 42    if (rx_size > 0) {
 43        /* start */
 44        i2c_start();
 45        /* address + read */
 46        i2c_send_byte(dev_addr<<1 | 1);
 47        if (i2c_wait_ack() == false) {
 48            goto error_device_nack;
 49        }
 50        /* read data */        
 51        for (i=0; i52            rx_buffer[i] = i2c_recv_byte(i+153        }
 54    }
 55    i2c_stop();
 56    return true;
 57
 58error_device_nack:
 59    i2c_stop();
 60    return false;
 61}
 62
 63// Scan the I2C bus between addresses from_addr and to_addr.
 64// On each address, call the callback function with the address and result.
 65// If result==0, address was found, otherwise, address wasn't found
 66// (can use result to potentially get other status on the I2C bus, see twi.c)
 67// Assumes Wire.begin() has already been called
 68void scan_i2c_bus(uint8_t from_addr, uint8_t to_addr, void(*callback)(uint8_t address, uint8_t result))
 69{
 70    bool rc;
 71    uint8_t dev_addr_7bit = 0;
 72
 73    for( uint8_t addr = from_addr; addr <= to_addr; addr++) {
 74
 75        /* start */
 76        i2c_start();
 77
 78        /* address + write */
 79        i2c_send_byte(addr);
 80
 81        if (i2c_wait_ack() == false) {
 82            rc = false;
 83        }else{
 84            rc = true;
 85        }
 86
 87        i2c_stop();
 88
 89        dev_addr_7bit = addr>>1;
 90
 91        callback(dev_addr_7bit, rc);
 92
 93        //dealy for sometime, 5 clk
 94        for(char i=0; i<5; i++){
 95            sw_i2c_delay();
 96        }
 97
 98        //ignore add+1, read
 99
100        addr++;
101        if(addr > to_addr){
102            break;
103        }
104
105    }
106}

• 实现了数据传输 transfer 接口，包含了发送和接收；
• 实现总线设备扫描功能，可以用于辅助调试；

3 GXHT30使用I2C

3.1 扫描设备

1void scan_i2c_cb( uint8_t addr, uint8_t result )
 2{
 3
 4    if(result == 1){
 5        printf("  scan addr[7bit]: 0x%x  found!\\r\\n",addr);
 6    }else{
 7    //    printf("scan addr:   %x not found\\r\\n",addr); //not found
 8    }
 9
10}
11
12int main(void)
13{
14    ...
15
16    printf("init i2c bus\\r\\n");
17
18    sw_i2c_init();
19
20    printf("scan device on i2c bus...\\r\\n");
21
22    scan_i2c_bus(0x02,0xfe, scan_i2c_cb);
23
24    ...
25}

3.2 读取温湿度数据

根据GXHT30芯片手册实现，这里为单次读取：

1void gxht30_sample(float *temp, float *humi)
 2{
 3    uint8_t rd_buff[6] = {0};
 4    uint8_t cmd[2] = {0x2c, 0x06};
 5
 6    uint8_t dev_addr = 0x44;
 7
 8    //send read cmd
 9    sw_i2c_transfer(dev_addr, cmd, 2, 0, 0);
10
11    delay_ms(10);
12
13    //receive data
14    sw_i2c_transfer(dev_addr, 0,0, rd_buff, 6);
15
16    uint16_t temp_int = (uint16_t)((rd_buff[0] << 8)|(rd_buff[1]));
17    uint16_t humi_int = (uint16_t)((rd_buff[3] << 8)|(rd_buff[4]));
18
19    *temp =  -45 + (float)(175*temp_int/65535.0000);
20    *humi = 100 * (float)(humi_int /65535.0000);
21}

发送命令的波形也和预期一致；

• 发送读取命令 0x2c 0x06 的波形：

• 接收数据的波形，温度+CRC+湿度+CRC:

4 烧写测试

4.1 连线

将开发板和温湿度模块的I2C引脚连接：

4.2 测试结果

可以看到读取到0x44的设备地址，即温湿度模块的I2C地址，温湿度读取正确：