【STM32】STM32实战笔记-软件模拟I2C驱动EEPROM(32)-平芜编程栈

1. 软件模拟I2C的必要性

在STM32开发中，我们通常会遇到两种I2C实现方式：硬件I2C和软件模拟I2C。硬件I2C虽然效率高，但由于STM32的硬件I2C外设存在一些历史遗留问题（比如时钟拉伸bug），很多开发者更倾向于使用GPIO模拟I2C时序。这种方式虽然会占用更多CPU资源，但胜在稳定可控，移植性强。

我曾在多个项目中使用软件模拟I2C驱动AT24C02 EEPROM，实测下来发现这种方案特别适合对实时性要求不高的场景。比如记录设备运行日志、存储校准参数等。AT24C02是经典的I2C接口EEPROM，容量2Kbit（256字节），支持页写入和随机读取，工作电压范围宽（1.8V-5.5V），是嵌入式系统中常用的非易失性存储器。

2. 硬件电路设计要点

2.1 GPIO配置

软件模拟I2C需要两个GPIO分别作为SCL（时钟线）和SDA（数据线）。这两个引脚必须配置为开漏输出模式（GPIO_Mode_Out_OD），原因有三：

I2C协议允许总线上的多个设备同时驱动信号线
开漏输出可以避免总线竞争导致的短路
方便实现"线与"逻辑

以STM32F103为例，我们可以选择PB6和PB7作为I2C引脚：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // SCL引脚配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // SDA引脚配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

2.2 上拉电阻选择

I2C总线需要上拉电阻将信号线拉至高电平。电阻值的选择很关键：

阻值太小：增加功耗，可能超出GPIO驱动能力
阻值太大：上升沿变缓，影响通信速率

根据经验，常用4.7kΩ的上拉电阻。如果总线电容较大（比如线缆较长、设备较多），可以适当减小阻值，但不要低于1kΩ。我曾在一个长距离（约1米）的I2C总线中使用2.2kΩ上拉电阻，通信依然稳定。

3. I2C时序模拟实现

3.1 基础时序函数

软件模拟I2C的核心是精确控制GPIO电平变化。首先需要实现几个基本时序单元：

// 微秒级延时函数 void I2C_Delay(void) { uint16_t i = 10; // 根据主频调整 while(i--); } // 产生起始信号 void I2C_Start(void) { SDA_HIGH(); SCL_HIGH(); I2C_Delay(); SDA_LOW(); // SCL高电平期间SDA下降沿 I2C_Delay(); SCL_LOW(); } // 产生停止信号 void I2C_Stop(void) { SDA_LOW(); SCL_LOW(); I2C_Delay(); SCL_HIGH(); I2C_Delay(); SDA_HIGH(); // SCL高电平期间SDA上升沿 I2C_Delay(); }

3.2 字节收发函数

发送一个字节时，需要从高位开始依次发送。每个bit在SCL低电平时准备，高电平时稳定：

// 发送一个字节 uint8_t I2C_SendByte(uint8_t byte) { uint8_t i, ack; for(i=0; i<8; i++) { if(byte & 0x80) SDA_HIGH(); else SDA_LOW(); byte <<= 1; I2C_Delay(); SCL_HIGH(); I2C_Delay(); SCL_LOW(); } // 读取ACK SDA_HIGH(); // 释放SDA I2C_Delay(); SCL_HIGH(); ack = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7); // 读取SDA状态 SCL_LOW(); return ack; // 0-应答, 1-非应答 } // 接收一个字节 uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t ack) { uint8_t i, byte = 0; SDA_HIGH(); // 释放SDA for(i=0; i<8; i++) { byte <<= 1; SCL_HIGH(); if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7)) byte |= 0x01; SCL_LOW(); I2C_Delay(); } // 发送ACK/NACK if(ack) SDA_HIGH(); else SDA_LOW(); I2C_Delay(); SCL_HIGH(); I2C_Delay(); SCL_LOW(); SDA_HIGH(); // 释放SDA return byte; }

4. AT24C02驱动实现

4.1 器件地址

AT24C02的7位设备地址由三部分组成：

高4位固定为1010
中间3位由A2,A1,A0引脚电平决定
最低位是读写方向位（0-写，1-读）

例如，当A2=A1=A0=0时：

写地址：0xA0
读地址：0xA1

4.2 页写入操作

AT24C02支持页写入（Page Write），每页8字节。写入时需要先发送目标地址，再发送数据：

void EEPROM_PageWrite(uint8_t addr, uint8_t *data, uint8_t len) { I2C_Start(); I2C_SendByte(0xA0); // 器件地址+写 I2C_SendByte(addr); // 内存地址 for(uint8_t i=0; i<len; i++) { I2C_SendByte(data[i]); } I2C_Stop(); Delay_ms(5); // 等待写入完成 }

注意：跨页写入需要分多次操作。我曾经踩过一个坑，试图一次性写入16字节数据，结果只有前8字节被正确写入。

4.3 随机读取操作

随机读取需要先发送目标地址（伪写入），然后重新启动总线进行读取：

uint8_t EEPROM_RandomRead(uint8_t addr) { uint8_t data; I2C_Start(); I2C_SendByte(0xA0); // 器件地址+写 I2C_SendByte(addr); // 内存地址 I2C_Start(); I2C_SendByte(0xA1); // 器件地址+读 data = I2C_ReadByte(1); // 读取后发送NACK I2C_Stop(); return data; }

5. 完整测试例程

下面是一个完整的读写测试程序，包含写入和验证过程：

#define EEPROM_ADDR 0xA0 void EEPROM_Test(void) { uint8_t write_data[8] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9A, 0xBC, 0xDE, 0xF0}; uint8_t read_data[8]; uint8_t i, error = 0; // 页写入测试 I2C_Start(); I2C_SendByte(EEPROM_ADDR); I2C_SendByte(0x00); // 起始地址 for(i=0; i<8; i++) { I2C_SendByte(write_data[i]); } I2C_Stop(); Delay_ms(10); // 等待写入完成 // 顺序读取验证 I2C_Start(); I2C_SendByte(EEPROM_ADDR); I2C_SendByte(0x00); // 起始地址 I2C_Start(); I2C_SendByte(EEPROM_ADDR | 0x01); for(i=0; i<7; i++) { read_data[i] = I2C_ReadByte(0); // 发送ACK } read_data[7] = I2C_ReadByte(1); // 最后一个字节发送NACK I2C_Stop(); // 校验数据 for(i=0; i<8; i++) { if(read_data[i] != write_data[i]) { error = 1; break; } } if(error) { printf("EEPROM test failed!\r\n"); } else { printf("EEPROM test passed!\r\n"); } }