嵌入式開發：使用 GPIO 模擬 I2C 總線時序驅動 SHT11 溫濕度傳感器

為什麼要軟件模擬 I2C？

• 部分 MCU 缺乏硬件 I2C 控制器，或引腳已被佔用
• 某些傳感器（如 SHT11）使用非標準 I2C 時序（啟動信號不同），硬件 I2C 無法兼容
• 低速通信（≤100 kHz）下，GPIO 翻轉時序易於控制，調試靈活

SHT11 非標準啟動時序

標準 I2C：SCL 高電平時 SDA 由高→低產生 START。
SHT11：SDA 先拉低，SCL 產生一個時鐘脈沖（高→低→高），SDA 再拉高。這要求精確控制 GPIO 時序。

GPIO 宏定義（以 PIC 單片機為例）

#define IIC_SCL       RC0
#define IIC_SDA       RC1
#define IIC_SCL_DIR   TRISC0
#define IIC_SDA_DIR   TRISC1
#define INPUT  1
#define OUTPUT 0

#define SCL_HIGH()  IIC_SCL_DIR = INPUT   // 釋放總線，上拉電阻拉高
#define SCL_LOW()   do { IIC_SCL_DIR = OUTPUT; IIC_SCL = 0; } while(0)
#define SDA_HIGH()  IIC_SDA_DIR = INPUT
#define SDA_LOW()   do { IIC_SDA_DIR = OUTPUT; IIC_SDA = 0; } while(0)

關鍵技巧：利用三態輸出特性，輸入模式時由外部上拉電阻拉高（邏輯 1），輸出模式驅動低電平（邏輯 0），實現開漏輸出效果。

核心時序函數實現

1. 啟動信號

void SHT_Start(void) {
    SCL_HIGH(); SDA_HIGH(); delay_us(5);
    SDA_LOW();  delay_us(5);
    SCL_LOW();  delay_us(5);
    SCL_HIGH(); delay_us(5); // SHT11 要求的額外時鐘脈沖
    SDA_HIGH(); delay_us(5);
    SCL_LOW();
}

2. 發送一字節（含應答檢測）

void SHT_WriteByte(unsigned char dat) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (dat & 0x80) SDA_HIGH(); else SDA_LOW();
        dat <<= 1;
        SCL_LOW();  delay_us(5);
        SCL_HIGH(); delay_us(5); // 上升沿發送數據
    }
    SCL_LOW();
    SDA_HIGH(); delay_us(5); // 釋放總線準備讀取 ACK
    SCL_HIGH(); delay_us(5); // 主機產生第 9 個時鐘讀取 ACK
    // 可在此檢測 IIC_SDA 是否為 0（從機應答）
    SCL_LOW();
    SDA_HIGH();
}

3. 讀取一字節（發送 ACK/NACK）

unsigned char SHT_ReadByte(unsigned char ack) {
    unsigned char dat = 0;
    SDA_HIGH(); // 釋放總線
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        dat <<= 1;
        SCL_HIGH(); delay_us(5);
        if (IIC_SDA) dat |= 1; // 上升沿讀取數據
        SCL_LOW(); delay_us(5);
    }
    // 發送應答
    if (ack) SDA_LOW(); else SDA_HIGH();
    SCL_LOW(); delay_us(5);
    SCL_HIGH(); delay_us(5);
    SCL_LOW();
    SDA_HIGH();
    return dat;
}

4. 停止信號

void SHT_Stop(void) {
    SDA_LOW();  delay_us(5);
    SCL_HIGH(); delay_us(5);
    SDA_HIGH(); delay_us(5); // SCL 高時 SDA 低→高
    SCL_LOW();
}

工程實踐建議

• 時序裕度：delay_us(5) 滿足 SHT11 最小 4.7μs 時鐘週期，實際應根據 MCU 主頻校準
• 中斷保護：關鍵時序段關閉中斷（cli()/sei()），防止時序被打亂
• 總線恢復：通信異常時發送 9 個時鐘脈沖並發送 STOP，強制從機釋放總線
• 移植性：將 GPIO 操作封裝為宏/內聯函數，便於移植到 STM32、ESP32 等平台

總結

GPIO 模擬 I2C 是嵌入式工程師必備技能。通過精確控制 SCL/SDA 時序，可驅動任何兼容 I2C 協議的設備，甚至適配非標準時序器件。關鍵在於理解開漏輸出機制、掌握時序圖參數、合理設置延時與中斷保護。