软件I2C

软件I2C

注意：
SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出。需通过上拉电阻接电源VCC。

软件I2C说明

说明，有的单片机没有硬件I2C的功能，或者因为电路设计失误不得不使用软件I2C。
软件I2C虽然引脚设定灵活，但效果自然是比不上硬件I2C的……
本人按照STM32的硬件I2C风格编写了软件I2C，这样便于移植更换

具体来说：
虽然软件I2C（也称为Bit-banging I2C）提供了极大的灵活性，允许开发者在任意GPIO引脚上实现I2C通信，但它也有几个明显的缺点：

1. CPU占用率高：由于所有的I2C协议处理（如时序控制、信号的高低电平转换等）都由CPU直接管理，而不是专用硬件模块完成，因此会占用大量的CPU资源。这意味着，在进行I2C通信时，CPU不能执行其他任务，除非通过中断或DMA等方式来部分缓解这个问题。

2. 速度受限：由于需要依靠CPU指令来精确地控制时序，软件I2C的速度通常比硬件I2C慢得多。特别是在高速模式下（例如I2C Fast-mode Plus，速度可达1MHz），准确地生成和检测信号变得更加困难，可能无法达到标准要求的速度。

3. 时序精度问题：不同CPU架构和运行频率下的指令周期时间不同，这使得编写可移植性好的软件I2C代码变得复杂。此外，中断或其他系统活动可能会干扰软件I2C的时序，导致通信失败。

4. 可靠性较低：与硬件I2C相比，软件I2C更容易受到电磁干扰(EMI)和其他电气噪声的影响，因为其不具备硬件级别的过滤和错误纠正能力。同时，软件实现难以完全保证严格的I2C协议时序要求，尤其是在复杂的系统环境中。

5. 不支持高级特性：许多现代微控制器的硬件I2C接口支持诸如多主控、时钟扩展(clock stretching)、中断驱动传输、DMA支持等高级特性。而这些特性通常很难或者不可能通过软件I2C来实现。

6. 开发和维护成本：虽然对于简单的应用来说，软件I2C可以快速实现，但对于更复杂的应用场景，如需要支持多种速率、处理各种异常情况等，则需要更多的开发工作，并且调试起来也更加困难。

综上所述，尽管软件I2C在某些特定情况下（比如当硬件I2C引脚已被占用，或者需要在多个不同的GPIO引脚上实现I2C通信）非常有用，但考虑到性能、稳定性和功能完整性等方面，硬件I2C通常是更好的选择。如果条件允许，使用硬件I2C可以减少开发时间和提高系统的整体性能。

软件I2C代码

注意，根据自己使用的单片机修改IO口输入输出的相关实现！
SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出。需通过上拉电阻接电源VCC。
实现软件微秒级延时的代码

微秒级延时头文件

#pragma once#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif#include <stdint.h>//移植时请根据自身单片机修改/*** @brief 软件微秒级延时* * @param us 微秒数* * @note 需要根据系统频率简单修改* @note 不怎么准，但一般不需要很准* @note 准确的延时需要借助硬件定时器等*/
void softDelayMicro(uint8_t us);#ifdef __cplusplus
}
#endif

微秒级延时源文件

#include "soft_delay.h"// 定义每微秒需要执行的大约循环次数
// 注意：这个值可能需要根据实际情况进行调整
// 例如我的stm32f405频率168MHz
#define DELAY_MICROSECOND_LOOP_COUNT (168 / 4)#pragma GCC push_options    //禁止编译器优化这段代码
#pragma GCC optimize ("O0")void softDelayMicro(uint8_t us)
{while (us--) {volatile uint32_t counter = DELAY_MICROSECOND_LOOP_COUNT;while (counter--);}
}#pragma GCC pop_options

软件I2C头文件

/*** @file soft_I2C.h* @author your name ([e-mail])* @brief 软件I2C* @version 0.1* @date 2025-05-12* * @copyright Copyright (c) 2025* * @note //根据你的单片机修改IO口的输入输出的相关内容！* @note SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出。*/#pragma once#ifdef __cplusplusextern "C" {#endif#include <stdbool.h>#include "gpio.h"//根据你的单片机修改IO口的输入输出的相关内容！#include "soft_delay.h"/*** @brief 保存某个I2C总线使用的端口引脚信息* * @note SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出。*/typedef struct{GPIO_TypeDef* SCL_Port; //时钟线端口uint32_t SCL_Pin;       //时钟线引脚GPIO_TypeDef* SDA_Port; //数据线端口uint32_t SDA_Pin;       //数据线引脚}Soft_I2C_Handle;/*** @brief 设置软件I2c使用的端口和引脚* * @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针，该结构体包含指定软件I2C的配置信息。* @param scl_port 时钟线端口* @param scl_pin 时钟线引脚* @param sda_port 数据线端口* @param sda_pin 数据线引脚* * @note 请先完成对应端口的初始化配置，然后再使用这个函数* @note SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出。*/void Soft_I2C_Config(Soft_I2C_Handle* si2c, GPIO_TypeDef* scl_port, uint32_t scl_pin, GPIO_TypeDef* sda_port, uint32_t sda_pin);/*** @brief 软件I2C以主模式发送一定数量的数据。** @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针，该结构体包含指定软件I2C的配置信息。* @param DevAddress 目标设备地址：在调用接口之前，必须将数据表中的设备7位地址值左移1位* @param pData 指向数据缓冲区的指针* @param Size 要发送的数据量* @return true 成功* @return false 失败*/bool Soft_I2C_Master_Transmit(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size);/*** @brief 软件I2C以主模式接收一定数量的数据。* * @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针，该结构体包含指定软件I2C的配置信息。* @param DevAddress 目标设备地址：在调用接口之前，必须将数据表中的设备7位地址值左移1位* @param pData 指向数据缓冲区的指针* @param Size 要接收的数据量* @return true 成功* @return false 失败*/bool Soft_I2C_Master_Receive(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size);/** @defgroup I2C_Memory_Address_Size I2C Memory Address Size* @{*/#define SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_8BIT            0x00000001U#define SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_16BIT           0x00000010U/*** @brief 软件I2C以阻塞方式从特定内存地址读取一定数量的数据* * @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针，该结构体包含指定软件I2C的配置信息。* @param DevAddress 目标设备地址：在调用接口之前，必须将数据表中的设备7位地址值左移1位* @param MemAddress 目标设备内部存储器地址* @param MemAddSize 目标设备内部存储器地址的大小，只能是SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_8BIT或者SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_16BIT* @param pData 指向数据缓冲区的指针* @param Size 要接收的数据量* @return true 成功* @return false 失败* */bool Soft_I2C_Mem_Read(Soft_I2C_Handle *si2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size);/*** @brief 软件I2C以阻塞方式将一定数量的数据写入特定的内存地址* * @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针，该结构体包含指定软件I2C的配置信息。 * @param DevAddress 目标设备地址：在调用接口之前，必须将数据表中的设备7位地址值左移1位* @param MemAddress 目标设备内部存储器地址* @param MemAddSize 目标设备内部存储器地址的大小，只能是SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_8BIT或者SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_16BIT* @param pData 指向数据缓冲区的指针* @param Size 要发送的数据量* @return true 成功* @return false 失败* */bool Soft_I2C_Mem_Write(Soft_I2C_Handle *si2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size);#ifdef __cplusplus}#endif

软件I2C源文件

/*** @file soft_I2C.c* @author your name ([e-mail])* @brief 软件I2C* @version 0.1* @date 2025-05-12* * @copyright Copyright (c) 2025* */#include "soft_I2C.h"/****************************** 1. 配置函数 *****************************************///移植时请根据自身单片机修改void Soft_I2C_Config(Soft_I2C_Handle* si2c, GPIO_TypeDef* scl_port, uint32_t scl_pin, GPIO_TypeDef* sda_port, uint32_t sda_pin)
{si2c->SCL_Port = scl_port;si2c->SCL_Pin = scl_pin;si2c->SDA_Port = sda_port;si2c->SDA_Pin = sda_pin;
}/****************************** 2. 辅助宏/函数定义 *****************************************/#define I2C_PIN_HIGH GPIO_PIN_SET
#define I2C_PIN_LOW  GPIO_PIN_RESET//移植时请根据自身单片机修改static inline void SCL_Low(Soft_I2C_Handle* si2c) {HAL_GPIO_WritePin(si2c->SCL_Port, si2c->SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}static inline void SCL_High(Soft_I2C_Handle* si2c) {HAL_GPIO_WritePin(si2c->SCL_Port, si2c->SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
}static inline void SDA_Low(Soft_I2C_Handle* si2c) {HAL_GPIO_WritePin(si2c->SDA_Port, si2c->SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}static inline void SDA_High(Soft_I2C_Handle* si2c) {HAL_GPIO_WritePin(si2c->SDA_Port, si2c->SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
}static inline GPIO_PinState SDA_Read(Soft_I2C_Handle* si2c) {return HAL_GPIO_ReadPin(si2c->SDA_Port, si2c->SDA_Pin);
}/*** @brief 设置SDA引脚为输入* * @param si2c */
static void SDA_SetInput(Soft_I2C_Handle* si2c)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = si2c->SDA_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(si2c->SDA_Port, &GPIO_InitStruct);
}/*** @brief 设置SDA引脚为输出* * @param si2c */
static void SDA_SetOutput(Soft_I2C_Handle* si2c)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = si2c->SDA_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(si2c->SDA_Port, &GPIO_InitStruct);
}/****************************** 3. I2C 协议辅助函数 *****************************************/
/******************** 为了内部实现I2C功能而创造，通常不需要直接调用 ******************************//*** @brief 产生IIC起始信号** @param si2c* * @note SCL为高电平时，SDA由高变低表示起始信号；*/
void I2C_Start(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 产生IIC停止信号* * @param si2c * * @note SCL为高电平时，SDA由低变高表示停止信号；*/
void I2C_Stop(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 发送一字节数据* * @param si2c * @param byte * * @note 先传送最高位，后传送低位*/
void I2C_SendByte(Soft_I2C_Handle *si2c, uint8_t byte);/*** @brief 等待应答信号到来* * @param si2c * @return true 接收应答成功* @return false 接收应答失败* * @note 在SCL为高电平期间，若检测到SDA引脚为低电平，则接收设备响应正常* @note 发送器发送完一个字节数据后接收器必须发送1位应答位来回应发送器* */
bool I2C_Wait_Ack(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 接收1字节数据* * @param si2c * @return uint8_t */
uint8_t I2C_ReceiveByte(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 产生ACK应答* * @param si2c * * @note 在SCL为高电平期间，SDA引脚输出为低电平，产生应答信号*/
void I2C_Ack(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 不产生ACK应答* * @param si2c * * @note 在SCL为高电平期间，若SDA引脚为高电平，产生非应答信号*/
void I2C_Nack(Soft_I2C_Handle *si2c);/*** @brief 发送一字节数据，并等待应答* * @param si2c * @param byte * @return true 应答* @return false 无应答*/
bool I2C_TransmitByte(Soft_I2C_Handle* si2c, uint8_t byte);/*** @brief 向目标设备发送内存地址* * @param si2c 指向Soft_I2C_Handle结构体的指针* @param MemAddress 目标设备地址：在调用接口之前，必须将数据表中的设备7位地址值左移1位* @param MemAddSize 目标设备内部存储器地址的大小* * @note 根据 MemAddSize 决定发送长度 只能是SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_8BIT或者SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_16BIT*/
bool I2C_TransmitMemoryAddress(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize);void I2C_Start(Soft_I2C_Handle* si2c) {SDA_SetOutput(si2c);  SDA_High(si2c);SCL_High(si2c);softDelayMicro(10);SDA_Low(si2c);softDelayMicro(10);SCL_Low(si2c);//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}void I2C_Stop(Soft_I2C_Handle* si2c) {SDA_SetOutput(si2c);SCL_Low(si2c);SDA_Low(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);SDA_High(si2c);//发送I2C总线结束信号softDelayMicro(10);
}void I2C_SendByte(Soft_I2C_Handle* si2c, uint8_t byte) {SDA_SetOutput(si2c);for (int i = 0; i < 8; i++) {if (byte & 0x80)SDA_High(si2c);elseSDA_Low(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);softDelayMicro(10);SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);byte <<= 1;//左移准备发下一位}
}bool I2C_Wait_Ack(Soft_I2C_Handle* si2c) {SDA_High(si2c);SDA_SetInput(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);softDelayMicro(10);uint8_t cycleTimes = 0;while(SDA_Read(si2c) != I2C_PIN_LOW)// 从机拉低表示 ACK{if(cycleTimes > 5){// I2C_Stop(si2c);SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);return false;}cycleTimes++;softDelayMicro(10);}SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);return true;
}bool I2C_TransmitByte(Soft_I2C_Handle* si2c, uint8_t byte)
{I2C_SendByte(si2c, byte);return I2C_Wait_Ack(si2c);
}uint8_t I2C_ReceiveByte(Soft_I2C_Handle* si2c) {uint8_t byte = 0;SDA_SetInput(si2c);for (int i = 0; i < 8; i++) {SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);byte <<= 1;if (SDA_Read(si2c) == I2C_PIN_HIGH)byte |= 0x01;softDelayMicro(10);}return byte;
}void I2C_Ack(Soft_I2C_Handle* si2c) {SDA_SetOutput(si2c);SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);    SDA_Low(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);softDelayMicro(10);SCL_Low(si2c);// SCL输出低时，SDA应立即拉高，释放总线SDA_High(si2c);softDelayMicro(10);
}void I2C_Nack(Soft_I2C_Handle* si2c) {SDA_SetOutput(si2c);SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);SDA_High(si2c);softDelayMicro(10);SCL_High(si2c);softDelayMicro(10);SCL_Low(si2c);softDelayMicro(10);
}bool I2C_TransmitMemoryAddress(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize) 
{if (MemAddSize == SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_8BIT){if(!I2C_TransmitByte(si2c, (uint8_t)(MemAddress & 0xFF))) return false;}else if (MemAddSize == SOFT_I2C_MEMADD_SIZE_16BIT){if(!I2C_TransmitByte( si2c, (uint8_t)((MemAddress >> 8) & 0xFF) ) ) return false;if(!I2C_TransmitByte( si2c, (uint8_t)(MemAddress & 0xFF) ) ) return false;}return true;
}/****************** 4. 软件I2C读写函数实现 ***************/bool Soft_I2C_Master_Transmit(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t DevAddress, uint8_t* pData, uint16_t Size) {I2C_Start(si2c);// 启动IIC通信if(!I2C_TransmitByte(si2c, DevAddress | 0x00)) return false;//发送写数据指令for (uint16_t i = 0; i < Size; i++) {if(!I2C_TransmitByte(si2c, pData[i])) return false;}I2C_Stop(si2c);return true;
}bool Soft_I2C_Master_Receive(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t DevAddress, uint8_t* pData, uint16_t Size) {I2C_Start(si2c);if(!I2C_TransmitByte(si2c, DevAddress | 0x01)) return false;//发送读数据指令for (uint16_t i = 0; i < Size; i++) {pData[i] = I2C_ReceiveByte(si2c);if (i < Size - 1)I2C_Ack(si2c);elseI2C_Nack(si2c);}I2C_Stop(si2c);return true;
}bool Soft_I2C_Mem_Read(Soft_I2C_Handle* si2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size)
{// 第一阶段：发送设备地址 + 内存地址I2C_Start(si2c); // 假设启动信号总是成功I2C_SendByte(si2c, DevAddress | 0x00); // 写模式if (!I2C_Wait_Ack(si2c)) return false;//向目标设备发送内存地址if( !I2C_TransmitMemoryAddress(si2c, MemAddress, MemAddSize) ) return false;// 第二阶段：重复启动，切换为读模式I2C_Stop(si2c); // 停止信号I2C_Start(si2c); // 重新启动if(!I2C_TransmitByte( si2c, DevAddress | 0x01 ) ) return false;// 读模式// 第三阶段：接收数据for (uint16_t i = 0; i < Size; i++) {pData[i] = I2C_ReceiveByte(si2c);if (i < Size - 1)I2C_Ack(si2c);elseI2C_Nack(si2c);}I2C_Stop(si2c);return true;
}bool Soft_I2C_Mem_Write(Soft_I2C_Handle *si2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size)
{I2C_Start(si2c); // 假设启动信号总是成功if(!I2C_TransmitByte( si2c, DevAddress | 0x00 ) ) return false;// 写模式//向目标设备发送内存地址if( !I2C_TransmitMemoryAddress(si2c, MemAddress, MemAddSize) ) return false;// 发送数据for (uint16_t i = 0; i < Size; i++) {if(!I2C_TransmitByte( si2c, pData[i] ) ) return false;}I2C_Stop(si2c);return true;
}

代码使用说明

1、根据自己的单片机修改相关内容
2、创造句柄并配置引脚（和硬件I2C类似）
3、进行读写操作（和硬件I2C类似）

例

以温湿度传感器AHT20为例
aht20.h

#ifndef __DHT20_H__
#define __DHT20_H__#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif#include "main.h"
#include "soft_I2C.h"// 初始化AHT20
void AHT20_Init();// 获取温度和湿度
void AHT20_Read(float *Temperature, float *Humidity);#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif

aht20.c

#include "aht20.h"#define AHT20_ADDRESS 0x70uint8_t readBuffer[6] = {0};Soft_I2C_Handle AHT20_I2C;/*** @brief  初始化AHT20*/
void AHT20_Init()
{Soft_I2C_Config(&AHT20_I2C, AHT20_SCL_GPIO_Port, AHT20_SCL_Pin, AHT20_SDA_GPIO_Port, AHT20_SDA_Pin);uint8_t readBuffer;HAL_Delay(40);Soft_I2C_Master_Receive(&AHT20_I2C, AHT20_ADDRESS, &readBuffer, 1);if ((readBuffer & 0x08) == 0x00){uint8_t sendBuffer[3] = {0xBE, 0x08, 0x00};Soft_I2C_Master_Transmit(&AHT20_I2C, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3);}
}/*** @brief  获取温度和湿度* @param  Temperature: 存储获取到的温度* @param  Humidity: 存储获取到的湿度*/
void AHT20_Read(float *Temperature, float *Humidity)
{uint8_t sendBuffer[3] = {0xAC, 0x33, 0x00};uint8_t readBuffer[6] = {0};Soft_I2C_Master_Transmit(&AHT20_I2C, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3);HAL_Delay(75);Soft_I2C_Master_Receive(&AHT20_I2C, AHT20_ADDRESS, readBuffer, 6);if ((readBuffer[0] & 0x80) == 0x00){uint32_t data = 0;data = ((uint32_t)readBuffer[3] >> 4) + ((uint32_t)readBuffer[2] << 4) + ((uint32_t)readBuffer[1] << 12);*Humidity = data * 100.0f / (1 << 20);data = (((uint32_t)readBuffer[3] & 0x0F) << 16) + ((uint32_t)readBuffer[4] << 8) + (uint32_t)readBuffer[5];*Temperature = data * 200.0f / (1 << 20) - 50;}
}

参考资料

https://blog.csdn.net/zhangduang_KHKW/article/details/121953275
https://baike.baidu.com/item/I2C%E6%80%BB%E7%BA%BF/918424