单根GPIO模拟I2C设备进行通信的电路、方法和网络设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种单根GPIO模拟I2C设备进行通信的电路、方法和网络设备。

背景技术

MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)或通信芯片等芯片都会带有不同数量不同种类的外设接口，这些外设接口是用来和外设进行通信数据交换的，而接口又分为不同的接口类型，比如SPI/UART/I2C/SDIO/ADC……这些接口都是通过GPIO(General-purpose input/output，通用输入/输出接口)接口映射出来的，即芯片的GPIO接口，只要芯片本身把这些硬件接口映射到一个支持模拟接口的GPIO上，就可以随时映射为I2C、ADC(Analog to Digital Converter，数模转换)或者SPI(Serial Peripheral Interfac，串行外设)等接口。

有些MCU或通信芯片上，没有I2C硬件接口或硬件接口不够，导致只能用GPIO来模拟I2C协议波形进行数据通信。现有技术中，在使用GPIO模拟I2C协议时需要通过两根GPIO线来模拟，一根GPIO线用于模拟I2C的SCL(I2C时钟信号)，一根GPIO线用于模拟SDA(I2C数据信号线)。

然而，在一些情况下，设备上硬件资源不足，没有足够的GPIO线能够使用，导致无法进行I2C通信。

发明内容

本发明提出了一种单根GPIO模拟I2C设备进行通信的电路、方法和网络设备，以解决硬件资源不足时如何通过1根GPIO线模拟I2C协议进行通信的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种I2C通信电路，所述电路包括：控制单元和分压单元；

所述控制单元分别与主I2C设备的SCL接口、SDA接口连接；

所述分压单元的第一端与从设备的GPIO接口连接，所述分压单元的第二端与所述控制单元连接；

所述控制单元用于根据所述主I2C设备的SCL接口、SDA接口输出的信号控制所述分压单元的阻值大小，以调节所述从设备的GPIO接口接收的电压信号。

可选的，所述分压单元包括：第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述控制单元包括第一控制器和第二控制器；

所述第一控制器，包括控制极、第一极和第二极，所述第一控制器的控制极与主I2C设备的SCL接口连接，所述第一控制器的第一极与所述第一电阻的第二端连接，所述第一控制器的第二极与所述第三电阻的第二端连接；

所述第二控制器，包括控制极、第一极和第二极，所述第二控制器的控制极与主I2C设备的SDA接口连接，所述第二控制器的第一极与所述第二电阻的第二端连接，所述第二控制器的第二极与第三电阻的第二端连接；

所述第一电阻的第一端、所述第二电阻的第一端、所述第三电阻的第一端并联后与从设备的GPIO接口连接。

可选的，所述I2C通信电路还包括模式调节单元，所述模式调节单元包括第三控制器：

所述第三控制器，包括控制极、第一极和第二极，所述第三控制器的控制极与从设备的GPIO接口连接，所述第三控制器的第一极与主I2C设备的SDA接口连接，所述第三控制器的第二极接地连接。

可选的，所述分压单元还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与第一电源连接，所述第四电阻的第二端与所述第一电阻、第二电阻以及第三电阻的第一端连接。

可选的，所述第一控制器、第二控制器和所述第三控制器均为MOS管。

可选的，所述第一控制器、第二控制器和所述第三控制器都是PMOS管，所述第一极为源极、所述第二极为漏极、所述控制极为栅极。

可选的，所述第三电阻的阻值＜所述第一电阻的阻值＜所述第二电阻的阻值。

第二方面，本发明实施例提供了一种I2C通信电路的通信方法，所述方法应用于从设备，所述从设备包括一个GPIO接口，所述GPIO接口如本发明实施例任一所述的电路连接，所述方法包括：

检测所述GPIO接口的电压；

根据检测到的电压，与主设备进行数据传输。

可选的，所述根据检测到的电压，与主设备进行数据传输包括：

在模拟模式，当检测到所述GPIO接口的电压为符合起始条件的电压时，确定需要从所述主设备进行数据接收；

根据检测到的所述GPIO接口的电压获取对应的比特值；

当检测到所述GPIO接口的电压为停止信号对应的电压时，确定数据传输结束。

可选的，当所述第一控制器、第二控制器是PMOS管，所述第三电阻的阻值＜所述第一电阻的阻值＜所述第二电阻的阻值时：

所述当开始进行数据接收后，根据检测到的电压信号获取对应的比特值包括：

当所述GPIO处检测到的电压为V4时，收到的比特值为1；

当所述GPIO处检测到的电压为V3时，收到的比特值为0；

当所述GPIO处检测到的电压低于V3时，一个比特的数据发送完成；

所述V4＞V3。

可选的，所述I2C通信电路还包括：模式调节单元，所述模式调节单元包括第三控制器，所述第三控制器包括控制极、第一极和第二极，所述第三控制器的控制极与从设备的GPIO接口连接，所述第三控制器的第一极与主I2C设备的SDA接口连接，所述第三控制器的第二极接地连接；

所述方法还包括：每连续接收完预设比特的数据时将从设备的GPIO接口切换为输出模式；

在输出模式下所述GPIO接口通过所述第三控制器向所述主设备的SDA接口发送应答信号；

所述应答信号发送完成后，所述从设备的GPIO切换为模拟模式，继续进行数据接收，直到接收到所述停止信号。

第三方面，本发明实施例提供了一种网络设备，包括：处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现上述第二方面所述的I2C通信电路的通信方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面的I2C通信电路的通信方法的步骤。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：提供了一种I2C通信电路，所述电路包括：控制单元和分压单元；所述控制单元分别与主I2C设备的SCL接口、SDA接口连接；所述分压单元的第一端与从设备的GPIO接口连接，所述分压单元的第二端与所述控制单元连接；所述控制单元用于根据所述主I2C设备的SCL接口、SDA接口输出的信号控制所述分压单元的阻值大小，以调节所述从设备的GPIO接口接收的电压信号；通过上述电路能够实现通过单根GPIO线模拟I2C从设备通信的技术效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种I2C通信电路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种I2C通信电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种I2C通信方法流程图；

图4为本发明实施例提供的另一种I2C通信方法流程图；

图5为本发明实施例提供的一种网络设备的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的I2C通信方法的数据传输电平变化示意图；

图7为本发明实施例提供的一种I2C通信电路及其分压单元结构示意图。

图标说明：

M1-第一控制器、M11-第一控制器的第一极、M12第一控制器的第二极；

M2-第一控制器、M21-第一控制器的第一极、M22第一控制器的第二极；

M3-第一控制器、M31-第一控制器的第一极、M32第一控制器的第二极；

R1-第一电阻、R2-第二电阻、R3-第三电阻、R4-第四电阻、电阻器上下的1、2标注为电阻的第一端、第二端；

S1第一输入端、S2第二输入端、S3第三输入端；

L1-主设备、L2-从设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图7，本发明实施例提供的一种I2C通信电路，所述电路包括控制单元M和分压单元R；

所述控制单元M分别与主I2C设备的SCL接口、SDA接口连接；

所述分压单元R的第一端与从设备的GPIO接口连接，所述分压单元R的第二端与所述控制单元M连接；

所述控制单元M用于根据所述主I2C设备的SCL接口、SDA接口输出的信号控制所述分压单元R的阻值大小，以调节所述从设备的GPIO接口接收的电压信号。

可选的，请参考图1，图1示出了本发明实施例提供的一种I2C通信电路结构示意图，所述分压单元包括：第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；所述控制单元包括第一控制器M1和第二控制器M2；所述第一控制器M1，包括控制极M13、第一极M11和第二极M12，所述第一控制器M1的控制极与主I2C设备的SCL接口连接，所述第一控制器M1的第一极M11所述第一电阻R1的第二端连接，所述第一控制器M1的第二极M12与所述第三电阻R3的第二端连接；

所述第二控制器M2，包括控制极M23、第一极M21和第二极M22，所述第二控制器M2的控制极与主I2C设备的SDA接口连接，所述第二控制器M2的第一极M21与所述第二电阻R2的第二端连接，所述第二控制器M2的第二极M22与第三电阻R3的第二端连接；

所述第一电阻R1的第一端、所述第二电阻R2的第一端、所述第三电阻R3的第一端并联后与从设备的GPIO接口连接。

可选的，所述I2C通信电路还包括模式调节单元，所述模式调节单元包括第三控制器：

所述第三控制器M3，包括控制极M33、第一极M31和第二极M32，所述第三控制器M3的控制极M33与从设备的GPIO接口连接，所述第三控制器的第一极M31与主I2C设备的SDA接口连接，所述第三控制器的第二极M32接地连接。

可选的，所分压单元R还包括第四电阻R4，所述第四电阻R4的第一端与第一电源S1连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3的第一端连接。

可选的，所述第一控制器M1、第二控制器M2和所述第三控制器M3均为MOS管。

可选的，所述第一控制器M1、第二控制器M2和所述第三控制器M3都是PMOS管，所述第一极为源极、所述第二极为漏极、所述控制极为栅极。

可选的，所述第三电阻的阻值＜所述第一电阻的阻值＜所述第二电阻的阻值。

示例性的，参考图2示出了所述第一控制器M1、第二控制器M2和所述第三控制器M3都是MOS管的所述I2C通信电路结构示意图，其中R1为200K、R2为400K、R3为600K、R4为200K、S1为3.6V、S2为1.8V、S3为1.8V；其中控制器的第一极M11、M21、M31均为源级，控制器的控制极M13、M23、M33均为栅极。

参考图3示出了本发明实施例提供了一种I2C通信电路的通信方法，所述方法应用于从设备，所述从设备包括一个GPIO接口，所述GPIO接口如本发明实施例任一所述的电路连接，所述方法包括：

步骤31，检测所述GPIO接口的电压；

步骤32，根据检测到的电压，与主设备进行数据传输。

具体的，通过所述从I2C设备的GPIO接口处测量到的电压变化，能够实现数据的传输，不同的电压及电压变化根据预设对应于不同的信号、数据。

可选的，参考图4，所述根据检测到的电压，与主设备进行数据传输包括：

步骤321，在模拟模式，当检测到所述GPIO接口的电压为符合起始条件的电压时，确定需要从所述主设备进行数据接收；

步骤322，根据检测到的所述GPIO接口的电压获取对应的比特值；

步骤323，当检测到所述GPIO接口的电压为停止信号对应的电压时，确定数据传输结束。

示例性的，所述起始条件是当SCL为高电平时，SDA的电平由高突然变低；导致从I2C的GPIO处检测到的电压降低，如以图2为例，即从I2C的GPIO处检测到的电平从1.8V突变为1.54V。

示例性的，所述停止信号是当SCL为高电平时，SDA的电平由低突然变高。如以图2为例，即电平从1.54V突变为1.8V。

可选的，当所述第一控制器、第二控制器是PMOS管，所述第三电阻的阻值＜所述第一电阻的阻值＜所述第二电阻的阻值时：

所述当开始进行数据接收后，根据检测到的电压信号获取对应的比特值包括：

当所述GPIO处检测到的电压为V4时，收到的比特值为1；

当所述GPIO处检测到的电压为V3时，收到的比特值为0；

当所述GPIO处检测到的电压低于V3时，一个比特的数据发送完成；

所述V4＞V3。

具体的，通过R1、R2、R3之间保持特定的关系，能够使得第一控制器、第二控制器不同的状态组合下，R1、R2、R3、R4之间的并联关系不同，从而使得从设备的GPIO处检测到的电压不同，给不同的电压状态预设不同的规则，就可以用于模拟I2C通信，如电压变化1-对应开始通信、电压变化2-比特值1、电压变化3-比特值0、电压变化4-结束通信等。具体的，当所述GPIO处检测到的电压低于V3时，一个比特的数据发送完成；如在进行电压检测时，由于控制单元的控制导致从设备GPIO接口处除了V4和V3以外还能检测到低于V3的其他电压信号，如V2和V1，V4＞V3＞V2＞V1，每发送完一个比特的数据时，都能检测到一个低于V3的间隔电压信号(如间隔电压信号为V1或者V2)；当从设备GPIO接口处接收的电压信号直接在V3和V4之间无间隔电压信号的发生变化，则表明收到了起始型号或者停止信号。

可选的，所述I2C通信电路还包括：模式调节单元，所述模式调节单元包括第三控制器，所述第三控制器包括控制极、第一极和第二极，所述第三控制器的控制极与从设备的GPIO接口连接，所述第三控制器的第一极与主I2C设备的SDA接口连接，所述第三控制器的第二极接地连接；

所述方法还包括：

每连续接收完预设比特的数据时将从设备的GPIO接口切换为输出模式；

在输出模式下所述GPIO接口通过所述第三控制器向所述主设备的SDA接口发送应答信号；

所述应答信号发送完成后，所述从设备的GPIO切换为模拟模式，继续进行数据接收，直到接收到所述停止信号。

具体的，通过对不同情况的预设，可以调整GPIO模拟I2C通信的具体数据传输规则，如传输速率、比特值、开始信号、停止信号、ACK应答信号等。

具体的，根据不同的I2C主设备支持的参数，可以预设比特，如预设每连续接收完八个比特的数据时将从设备的GPIO接口切换为输出模式；也可以是4个、16个、32个等位数的比特数据。

每连续接收完预设比特的数据时将从设备的GPIO接口切换为输出模式，从设备发送应答信号能够便于主设备监控从设备的数据接收情况，当出现数据接收异常情况时，可以及时发现并进行重发。

具体的，参考图2示出的一种I2C通信电路结构示意图，对本发明实施例提供的I2C通信电路以及I2C通信电路的通信方法做进一步说明：

图2示出了所述第一控制器M1、第二控制器M2和所述第三控制器M3都是MOS管的所述I2C通信电路结构示意图，其中R1为200K、R2为400K、R3为600K、R4为200K、S1为3.6V、S2为1.8V、S3为1.8V；其中控制器的第一极M11、M21、M31均为源级，控制器的控制极M13、M23、M33均为栅极。

具体的，以传输速率100K为例进行说明。一个时钟周期为10uS，半个周期为5uS。从I2C设备的数模转换器ADC采样速率为2MSPS，也就是500nS采样一次，可以1uS采样一次。每半个周期至少可以采样5次。不管高低电平，理想情况下，当SCL和SDA确定了高低电平，模拟GPIO处采集到的数据应该是不变的。考虑到误差，采集的5次只要有4次一样的值，就可以认为是有效的。当然在采集时，考虑到误差的因素，比如1.8V的判定是在1.78-1.82V之间的，也就是在此区间都认为是1.8V。双重保证，保证数据传输的可靠性。

具体的，图2中主设备L1的SCL和SDA输出的电压信号只有四种组合方式，高高V4，高低V3，低高V2，低低V1。

当主I2C设备L1的SCL输出低电平，SDA输出高电平时，此时第一控制器M1开启，第二控制器M2关闭。此时，R1与R3为并联关系，R1＝200K与R3＝400K并联后等于133K，此时从I2C设备L2的GPIO处电压为3.6V*(133/(133+200))＝1.44V(1.42V-1.46V)，此时V2＝1.44V。

当主I2C设备L1的SCL输出低电平，SDA输出低电平时，此时第一控制器M1开启，第二控制器M2开启。此时是R1、R2和R3形成并联关系，R1＝200K、R2＝400K和R3＝600K并联后等于109K，此时从I2C设备L2的GPIO处电压为3.6V*(109/(109+200))＝1.27V(1.25V-1.29V)，此时V1＝1.27V。

当主I2C设备L1的SCL输出高电平，SDA输出高电平时，此时第一控制器M1关闭，第一控制器M2关闭。此时是R3＝200K无并联，此时从I2C设备L2的GPIO处电压为3.6V*(200/(200+200))＝1.8V(1.78V-1.82V)，此时V1＝1.8V。

当主I2C设备L1的SCL输出高电平，SDA输出低电平时，此时第一控制器M1关闭，第一控制器M2开启。此时，R2与R3形成并联关系，此时是R3＝200K与R2＝600K并联等于150K，此时从I2C设备L2的GPIO处电压为3.6V*(150/(150+200))＝1.54V(1.52V-1.56V)，此时V2＝1.8V。

以上可以看出，从I2C设备的ADC可以采集到，以上四种情况的电平。当数据传输前，主I2C设备的SCL和SDA都是输出高电平，此时从I2C设备的GPIO采集到的是1.8V。值得注意的是，本申请实施例中从I2C设备的GPIO接口GPIO可以复用为ADC，从而能够通过单根GPIO线实现对I2C信号的模拟通信。

当产生起始条件时，主I2C设备SCL输出高电平，SDA的输出突然从高电平变低电平。此时从I2C设备的GPIO接口处检测到的电平突然从1.8V变为1.54V。

当产生完起始条件后，主I2C设备的SCL端输出会由高电平变低电平，由以上四种情况分析，主I2C设备的SDA输出电平无论如何变化，从I2C设备的GPIO接口处检测到的电平肯定不会高于1.54V(只会是1.27V或1.44V)，此时可以不用关注。只需要关注当主I2C设备的SCL输出为高电平时从I2C设备的GPIO接口处检测到的电平。当从I2C设备的GPIO接口处检测到电平为1.8V时，说明此时，主I2C设备的SCL和SDA输出都为高电平，此时，收到的第一个Bit是1。当从I2C设备的GPIO接口处检测到电平为1.54V时，说明此时，主I2C设备的SCL输出是高电平，SDA输出是低电平，收到的第一个Bit是0。

当从I2C设备的GPIO接口处检测到电平变为低于1.54V以下时，说明第一个Bit接收完成了。后续Bit接收同理。

当接收完预设个Bit时，比如8个比特，从I2C设备的GPIO迅速切换为输出模式，向外输出低电平。

当从I2C设备的GPIO输出低电平时，第三控制器M3导通，向主I2C设备的SDA端输出电平作为接收数据回应信号，等回应完ACK后，从I2C设备的GPIO迅速切换为模拟模式。当从I2C设备的GPIO接口处检测到电平从1.54V切换到1.8V时，表明接收到了主I2C设备发送的停止信号，完成数据传输。

具体的，在进行数据传输时，GPIO处检测到电平信号包括1.27V、1.44V、1.54V和1.8V这几种情况，参考图6示出了数据传输电平变化示意图，主设备的SCL接口可输出高电平或低电平，主设备的SDA接口可输出高电平或低电平，图6中传输的数据为10001100，图6中的电平情况为：

SCL-SDA：高高＝1.8V、高低＝1.54V、低高＝1.44V、低低＝1.27V。

整个过程的电平变化如下：

(1.8V至1.54V)→(1.27V至1.44V)→1.8V→(1.44V至1.27V)→1.54V→1.27V→1.54V→1.27V→1.54V→(1.27V至1.44V)→1.8V→1.44V→1.8V→(1.44V至1.27V)→1.54V→1.27V→1.54V→1.27V→(1.54V至1.8V)；

为便于说明，电平信号变化与接收参考表1：

表1：电平信号变化与接收

其中上述→的电平变化是随着SCL时钟沿(上升沿和下降沿)的变化而变化的。上述“至”的电平变化是SCL电平没变，SDA电平变化导致的变化。

(1.8V至1.54V)变化是起始电平，(1.54V至1.8V)变化时停止信号。

I2C协议中，数据只采集SCL高电平时刻下，SDA的数据；根据此规则，图6中的电平变化图采集出来的数据即为：起始电平10001100停止信号。

除起始位和停止位，未发生1.8V突变至1.54V，或1.54V突变至1.8V的情况。

因此，当GPIO接口处检测到电平从1.54V直接突变为1.8V时，表明接收到了主I2C设备发送的停止信号，完成数据传输；

同理可知，在数据传输开始前，GPIO接口处检测到电平从1.8V直接突变为1.54V时，表明接收到了开始信号，从下一个电压信号开始接收数据。当通信模式切换为，主读从写模式时，当主I2C设备发送了起始信号和地址数据后。从I2C设备回发送完ACK应答信号后，开始发送数据，根据前面的交互可以确定通信的速率，如通信速率为100Kbps或者400Kbps，也可以是其他速率，示例性的，如在回完ACK应答后延时2.5uS，然后再发送需要发送的数据，如需要发送1则向I2C设备回复高电平，0则向I2C设备回复低电平。发完8个Bit位后，切换为模拟ADC模式，从I2C设备等待接收ACK电平1.54V(SCL高，SDA低)。如此往返，直到接收到主设备发送的通信停止信号。

具体的，本申请实施例提供的I2C通信电路中涉及的I2C从设备具有ADC接口和GPIO接口，GPIO接口是复用ADC的GPIO接口，使得该I2C电路能够切换两个模式。具体的，在模拟GPIO模式下进行读取，本方案中GPIO的模拟模式指的都是在ADC模式，此时，GPIO可以复用为ADC，ADC属于模拟量；在输出模式下进行写和发送信号。

综上，本发明实施例提供的I2C通信电路的通信方法，从I2C设备可以接收主I2C设备的数据，也可以向主I2C设备发送数据，实现通过单根GPIO线模拟GPIO与标准I2C总线通信的目的。

请参考图4，本发明实施例还提供一种网络设备40，包括处理器41，存储器42，存储在存储器42上并可在所述处理器41上运行的计算机程序，该计算机程序被处理器41执行时实现上述I2C通信电路的通信方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述I2C通信电路的通信方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。