I2C 驅(qū)動(dòng)及其 Checksum在 BMS系統(tǒng)中的應(yīng)用

各位好，從今天開(kāi)始，我的 BMS 電池保護(hù)板系列開(kāi)始聊一下軟件相關(guān)的話題。

首先要關(guān)注的，就是我們的主控芯片如何控制 AFE，如何從 AFE 中讀取到想要的信息，這就離不開(kāi) AFE 的通信接口。

AFE 的通信接口有很多種類，比如 Uart，IIC，SPI 等。其中 Uart 不多見(jiàn)，以 IIC 和 SPI 最為常見(jiàn)，因?yàn)檫@兩個(gè)通信協(xié)議是板級(jí)通信中最常用的，邏輯簡(jiǎn)單，線路少。SPI 有一種菊花鏈模式，這個(gè)模式在分布式 BMS 系統(tǒng)中使用普遍，基本各個(gè)AFE 廠家都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的隔離芯片，有保障他們的AFE 可以被更好得使用。我的 Demo 中選擇的 AFE的通信是 IIC 接口，因此這一篇文章主要講述 IIC 的實(shí)現(xiàn)。

一、為什么要用模擬 IIC

在我設(shè)計(jì)的 Demo 中，我選擇了使用 IO 口來(lái)模擬 IIC 總線，這種選擇經(jīng)歷了很久的思考。首先，這個(gè)行業(yè)的伙伴都應(yīng)該了解，早期的 STM32F1 系列 MCU，在 IIC 的硬件設(shè)計(jì)上出現(xiàn)過(guò) bug，在中斷打斷 IIC 的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致 IIC 總線無(wú)端掛起，或者有些標(biāo)志位無(wú)法置位，這是選擇模擬 IIC 的最初的原因。

隨后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)項(xiàng)目的磨煉，這個(gè) IIC 使用模擬 IO 實(shí)現(xiàn)還是非選不可的，原因如下：

在 BMS 項(xiàng)目中，MCU 并不需要特別快速的運(yùn)行，因?yàn)榭焖夙憫?yīng)的過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)都有 AFE 的硬件直接操作，而讀取 AFE 采樣的數(shù)據(jù)也不需要很頻繁，想想，AFE 的 ADC 普遍的采樣頻率才 5Hz。從多陣列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的角度，我們經(jīng)常會(huì)遇到更換 MCU 的情況，原因不乏成本，缺貨，或者看原廠不順眼等。那么如果使用硬件的 IIC 模式，面對(duì)各家的 MCU 的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，還需要一定的學(xué)習(xí)成本和移植風(fēng)險(xiǎn)，所以模擬的 IIC 總線直接使用兩個(gè) IO 口和一個(gè)簡(jiǎn)單的延時(shí)函數(shù)即可。

當(dāng)然，硬件 IIC 是有一定的好處的，除了通信的可靠性和容錯(cuò)性外，相對(duì)于模擬 IIC 最大的好處是，在單字節(jié)接收的過(guò)程中，我們可以利用中斷來(lái)讓 MCU 干些其他事情，也僅此而已。所以，如果你的系統(tǒng)運(yùn)行頻率很高，CPU 負(fù)荷比較高的情況下，肯定首選硬件 IIC。

二、實(shí)現(xiàn)模擬 IIC 的代碼封裝

要封裝一個(gè)代碼，首先要將模塊的功能抽象出來(lái)，確定模塊的輸入輸出邏輯，從而確定如何封裝代碼成一個(gè)通用的庫(kù)，或者說(shuō)利于移植的模塊。我個(gè)人在這一塊有一個(gè)整體的思路，就是按照 C++的面向?qū)ο缶幊趟枷雭?lái)規(guī)劃這個(gè)類，雖然 C 無(wú)法寫(xiě)成類的形式，但是大體的封裝思想是可以實(shí)現(xiàn)的。

首先我們確定，要模擬 IIC 通信總線，需要兩個(gè) IO，這兩個(gè) IO 的通信速率不必太高，因?yàn)?IIC 一般的通信速率才 400Khz，現(xiàn)在有一些 1Mhz 的。其次，我們需要一個(gè)延時(shí)函數(shù)，來(lái)控制總線的時(shí)鐘延時(shí)，這個(gè)延時(shí)最好使用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以調(diào)整出比較好的 IIC 波形，但是這樣會(huì)引入一個(gè)復(fù)雜的 TIMER 模塊，因此我選擇了代碼延時(shí)，只需要確定好主時(shí)鐘調(diào)試一次即可。有了上面的兩個(gè) IO 口和延時(shí)函數(shù)，我們就可以通過(guò)控制兩個(gè)引腳的高低和時(shí)序來(lái)模擬 IIC 通信了。現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了足夠的輸入來(lái)對(duì)模擬 IIC 這個(gè)類進(jìn)行構(gòu)造函數(shù)的編寫(xiě)。那么，進(jìn)一步的，我們確定 IIC 這個(gè)類的方法和屬性。我們可以把 IIC 總線通信的一些錯(cuò)誤和狀態(tài)作為屬性來(lái)定義，可以讓調(diào)用者通過(guò)調(diào)用類的屬性來(lái)獲取總線的狀態(tài)，是空閑，還是忙狀態(tài)。也可以通過(guò)屬性來(lái)獲取上一次通信的結(jié)果。其次，對(duì)于方法就比較明確了，我們需要查詢忙狀態(tài)的方法，需要最基本的向設(shè)備-地址的讀寫(xiě)操作，然后再在上層實(shí)現(xiàn)多字節(jié)的讀寫(xiě)操作。

OK，看一下代碼吧

下面是硬件相關(guān)的定義，定義了兩個(gè)引腳和兩個(gè)延時(shí)函數(shù)，因?yàn)樵?IIC 通信中，有控制時(shí)鐘的延時(shí)和控制時(shí)序的延時(shí)。

//===========硬件相關(guān)的定義==================================================
#include "cw32l031.h"#include "cw32l031_gpio.h"// I2C的引腳定義#define I2C_SDA_PIN     GPIO_PIN_0#define I2C_SCL_PIN     GPIO_PIN_1
//I2C 的軟件延時(shí)，這個(gè)需要根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整#define    I2C_DELAY_INIT()        u8 _counter = 0;#define    I2C_DELAY()             for( _counter = 0; _counter < 20;  ) {_counter++; }    //100K 重新測(cè)試#define    I2C_DELAY_SHORT()       for( _counter = 0; _counter < 10;  ) {_counter++; }    //
//^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

然后，我們需要定義一些類的屬性，在這里其實(shí)就是一些關(guān)于通信模塊的設(shè)置，比如通信的重發(fā)嘗試次數(shù)，比如 IIC 總線的狀態(tài)和錯(cuò)誤標(biāo)志等，這里我們直接使用宏定義來(lái)設(shè)定，沒(méi)有在提供變量給調(diào)用者進(jìn)行實(shí)例化的時(shí)候進(jìn)行構(gòu)建，因?yàn)檫@在 C語(yǔ)言中就相當(dāng)于脫褲子放屁。

//===============IIC 軟件層相關(guān)(2023.11.11整理)======================================// I2C的一些錯(cuò)誤宏定義#define    I2C_SUCCESS                 0#define    I2C_ARBITRATION_LOST        0x11#define    I2C_NACK                    0x12#define    I2C_TIMEOUT                 0x13#define    I2C_WRITEFAIL               0x14#define    I2C_CRC                     0x15#define    I2C_OTHER                   0x16

#define    I2C_MAX_ATTEMPTS            1000   //嘗試次數(shù)

最后，我們需要給調(diào)用者提供一個(gè)可以調(diào)用的列表，從類的角度看，無(wú)非就是構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)和幾個(gè)方法屬性。這里我們只有一個(gè)充當(dāng)構(gòu)造函數(shù)的初始化函數(shù)和兩個(gè)方法：讀方法和寫(xiě)方法。

// I2C對(duì)外接口的聲明void i2c_init(void); //I2C的初始化函數(shù)
//多字節(jié)的讀寫(xiě)u8 i2c_write(u8 addr, u8 reg_addr, u8* txBuff, int count);u8 i2c_read( u8 addr, u8 reg_addr, u8* rxBuff, int count);

好啦，有了以上的一個(gè)頭文件，我們就可以使用這個(gè) IIC 模塊，使用的步驟很簡(jiǎn)單，先確定 IO 口，然后確定延時(shí)函數(shù)，最后在我們的初始化過(guò)程中將 i2c_init()調(diào)用一下，就可以在我們的系統(tǒng)中使用讀寫(xiě)方法了。我建了一個(gè)微信群，供大家來(lái)討論 BMS 相關(guān)技術(shù)，為了保證討論質(zhì)量，請(qǐng)先加我的個(gè)人微信，備注 “BMS” ，我來(lái)拉大家入群。

三、實(shí)現(xiàn)模擬 IIC 的簡(jiǎn)要說(shuō)明

當(dāng)我們定義好模擬 IIC 模塊的外觀后，也就是對(duì)外接口后，我們就需要思考如何在這個(gè)封裝層下來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯，其實(shí)這是一種自頂向下的設(shè)計(jì)模式。咱們先把 IO 的拉高拉低變換成總線上的一些狀態(tài)，對(duì)于 SCL 引線還好，他負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)鐘，可以直接拉高拉低，而對(duì)于 SDA 引線就稍微復(fù)雜一些，因?yàn)樗丝梢岳呃偷妮敵鐾?，還需要從總線上讀取電平。

GPIO_TypeDef* m_I2C_PORT = CW_GPIOA; //定義I2C的IO指針，默認(rèn)為GPIOB
//I2C的一些信號(hào)狀態(tài)，不同的硬件需要重新定義#define i2cSetSDA_highZ()    (m_I2C_PORT->ODR |= I2C_SDA_PIN)#define i2cGetSDA()          ((m_I2C_PORT->IDR & I2C_SDA_PIN) ? 1 : 0)#define i2cSetSCL_highZ()    (m_I2C_PORT->ODR |= I2C_SCL_PIN)#define i2cGetSCL()          ((m_I2C_PORT->IDR & I2C_SCL_PIN) ? 1 : 0)#define i2cClearSDA()        (m_I2C_PORT->ODR &= (~I2C_SDA_PIN))#define i2cClearSCL()        (m_I2C_PORT->ODR &= (~I2C_SCL_PIN))

以上，我們將 IO 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成了 IIC 總線上的多態(tài)端口。