51单片机学习笔记10 IIC通讯和EEPROM

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一、IIC通讯简介

IIC（也被称为I²C，是一种串行通信协议。它由Philips Semiconductor（现在的NXP Semiconductors）在1980年代初期开发，用于在集成电路（IC）之间进行低速、短距离的通信。I²C协议广泛应用于嵌入式系统中，尤其是在微控制器与各种外围设备之间的通信，如传感器、EEPROM、RTC（实时时钟）等。

1. 基本特点

• 两线制接口：I²C协议只需要两根线进行通信，一根是串行数据线（SDA），另一根是串行时钟线（SCL）。
• 多主设备：I²C允许多个主设备（master）和多个从设备（slave）在同一总线上通信。每个设备都有一个唯一的7位或10位地址。
• 同步通信：数据传输是同步进行的，由主设备提供时钟信号。
• 支持多主机：在多主机系统中，通过一种称为“仲裁”的机制来解决两个或多个主设备同时尝试控制总线的情况。
• 数据传输速率：I²C支持多种数据传输速率，标准模式下为100kbps，快速模式为400kbps，还有更快速的版本如快速模式加（Fast-mode Plus，1Mbps）和高速模式（High-speed Mode，3.4Mbps）。
  其主要的优缺点：

优点

• 线路简单：只需要两根线，减少了硬件成本和PCB布局的复杂性。
• 易于扩展：可以轻松添加或移除设备，只需修改地址即可。
• 低功耗：适合低功耗应用，如便携式设备。

缺点

• 速度较慢：与其他串行通信协议相比，I²C的数据传输速度较慢。
• 总线冲突：如果多个主设备尝试同时通信，可能会导致总线冲突。
• 距离限制：虽然支持长总线，但随着距离的增加，信号质量会下降。

I²C协议因其简单性和灵活性，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。然而，随着技术的发展，新的通信协议如I²C的替代品也在不断出现，以满足更高速度和更复杂系统的需求。

2. 工作模式

• 写入模式：主设备发送数据到从设备。
• 读取模式：主设备从从设备接收数据。

3. 整体流程

1. 启动信号：
2. 主设备生成起始信号，即将SDA从高电平拉低时，同时SCL保持高电平。这表示通信即将开始。
3. 从机地址发送：
4. 主设备发送从机地址，包括从机地址和读/写位。根据I2C协议，从机地址的最低位用于表示读写方向，0表示写，1表示读。
5. 应答信号接收：
6. 主设备发送完从机地址后，会释放SDA线，等待从机发送应答信号。从机成功接收地址后，发送ACK信号。
7. 数据传输：
8. 主设备发送数据字节，将每个数据字节依次发送到从设备。每发送一个数据字节，主设备会等待从设备的ACK信号，确认从设备已成功接收数据。
9. 重复步骤3和4：
10. 主设备可以连续发送多个数据字节，每发送一个数据字节都需要等待从设备的ACK信号。
11. 停止信号：
12. 主设备发送完所有数据后，生成停止信号，即将SDA从低电平拉高时，同时SCL保持高电平。这表示通信结束。

4. 信号流程

I²C协议的信号流程包括多个状态，如启动条件（Start Condition）、停止条件（Stop Condition）、应答位（Acknowledge Bit）和数据传输。

起始信号

当主设备将SDA线从高电平拉低，同时SCL线保持高电平时，生成一个启动条件。

代码实现：

IIC_SCL=1; IIC_SDA=1; delay_10us(1); IIC_SDA=0; delay_10us(1); IIC_SCL=0; 

停止信号

当主设备将SDA线从低电平拉高，同时SCL线保持高电平时，生成一个停止条件。

代码实现：

/ * @brief I2C 停止信号 */ void i2c_stop(void) { IIC_SCL=1; IIC_SDA=0; delay_10us(1); IIC_SDA=1; delay_10us(1); } 

应答信号

当从设备成功接收到数据后，通过拉低SDA线发送一个应答信号（ACK）。

/ * @brief I2C 应答信号 */ void i2c_ack(void) { IIC_SCL=0; IIC_SDA=0; delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SCL=0; }

非应答信号

当从设备成功接收到数据后，保持SDA线为高电平发送一个不应答信号（NACK）。

代码实现：

/ * @brief I2C 非应答信号 */ void i2c_nack(void) { IIC_SCL=0; IIC_SDA=1; delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SCL=0; } 

主机等待从机应答

主机发送数据后，需要等待从机的应答信号，以确认从机是否成功接收到数据。

• 主机发送完一个数据字节后，释放SDA线，并保持SCL线为高电平。
• 主机等待一段时间（等待从机发送应答信号）。
• 如果从机成功接收到数据并准备好接收下一个数据字节，则会发送一个ACK信号，此时SDA线会被从低电平拉高（应答）。
• 如果从机未能正确接收数据或者出现其他错误，则会发送一个NACK信号，此时SDA线会保持为低电平（不应答）。
• 主机在等待一段时间后，会检测SDA线的电平，以判断从机的应答状态。

完整写入过程

/ * @brief EEPROM 写入数据 */ void at24c02_write(u8 addr,u8 dat) { i2c_start(); i2c_send_byte(0xa0); i2c_wait_ack(); i2c_send_byte(addr); i2c_wait_ack(); i2c_send_byte(dat); i2c_wait_ack(); i2c_stop(); } 

完整读取过程

/ * @brief EEPROM 读取数据 */ u8 at24c02_read(u8 addr) { u8 dat; i2c_start(); // 发送器件地址和写控制位 i2c_send_byte(0xa0); i2c_wait_ack(); // 写入要读取的地址 i2c_send_byte(addr); i2c_wait_ack(); // 改变传送方向,读写信号反过来,重新启动 i2c_start(); // 发送器件地址和读控制位 i2c_send_byte(0xa1); i2c_wait_ack(); // 读取数据 dat=i2c_read_byte(0); i2c_stop(); return dat; } 

二、AT24C02 芯片介绍

24C02/043/08/16/321/64 是电可擦除 PROM， 容易分别是2K位、4K位、16K位、32K位、64K位，是采用串行I2C总线的EEPROM芯片，其电压可允许低至1.8V，待机电流1uA，工作电流 1mA。

1. 引脚介绍

1. VCC：电源输入引脚，通常连接到系统的正电源（例如5V）。
2. GND：接地引脚，连接到系统的地线。
3. SCL：串行时钟线（Serial Clock），用于在I²C通信中提供时钟信号。主设备通过这个引脚控制数据的时序。
4. SDA：串行数据线（Serial Data），用于在主设备和AT24C02之间传输数据。
5. A0、A1、A2：硬件地址引脚。这些引脚通过不同的电平组合（高电平或低电平）来确定EEPROM在I²C总线上的唯一地址。当所有这些引脚都接地时（GND），AT24C02的默认地址是0xA0（写操作）或0xA1（读操作）。
6. WP（Write Protect，写保护）：这是一个输入引脚，用于防止EEPROM被写入。当WP引脚接高电平时，EEPROM被保护，只能读取数据，不能写入新数据。如果WP引脚接地或悬空（通常接地），则允许对EEPROM进行写入操作。

2. 典型总线配置

三、开发示例

1. 硬件连接

2. 软件实现

本代码示例，使用

• K2键 写数据到EEPROM，每次增加一，并通过串口输出当前值；
• K2键 读取EEPROM，通过串口输出值；

i2c_utils.c

#include "i2c_utils.h" #include "common_utils.h" / * @brief I2C 起始信号 */ void i2c_start(void) { IIC_SDA=1; //如果把该条语句放在SCL后面，第二次读写会出现问题 delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SDA=0; //当SCL为高电平时，SDA由高变为低 delay_10us(1); IIC_SCL=0; //钳住I2C总线，准备发送或接收数据 delay_10us(1); } / * @brief I2C 停止信号 */ void i2c_stop(void) { IIC_SDA=0; delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SDA=1; delay_10us(1); } / * @brief I2C 应答信号 */ void i2c_ack(void) { IIC_SCL=0; IIC_SDA=0; //SDA为低电平 delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SCL=0; } / * @brief I2C 非应答信号 */ void i2c_nack(void) { IIC_SCL=0; IIC_SDA=1; //SDA为高电平 delay_10us(1); IIC_SCL=1; delay_10us(1); IIC_SCL=0; } / * @brief 主机等待从机应答 */ u8 i2c_wait_ack(void){ u8 ucErrTime=0; // 保持 SCL 高电平 IIC_SCL=1; delay_10us(1); while(IIC_SDA){ ucErrTime++; // 如果等待时间过长，返回错误 if(ucErrTime>100){ i2c_stop(); return 1; } } IIC_SCL=0; return 0; } / * @brief I2C 发送一个字节 */ void i2c_send_byte(u8 dat){ u8 t; // 低电平时 可以SDA可以改变 IIC_SCL=0; for(t=0;t<8;t++){ // 最高位是1 if((dat & 0x80)>0){ // 发送 1 IIC_SDA=1; }else{ // 发送 0 IIC_SDA=0; } // 下一位 dat<<=1; delay_10us(1); // 时序 IIC_SCL = 1; delay_10us(1); IIC_SCL = 0; delay_10us(1); } } / * @brief I2C 读取一个字节 * @param ack 0:非应答 1:应答 */ u8 i2c_read_byte(u8 ack){ u8 i,receive=0; for(i=0;i<8;i++){ IIC_SCL=0; delay_10us(1); // 数据不能变了 IIC_SCL=1; // 读前要移位, 从高位开始 receive<<=1; if(IIC_SDA)receive++; delay_10us(1); } if (!ack) i2c_nack(); else i2c_ack(); return receive; } 

eeprom_utils.c

#include "eeprom_utils.h" #include "i2c_utils.h" #include "common_utils.h" / * @brief EEPROM 写入数据 */ void at24c02_write(u8 addr,u8 dat) { i2c_start(); // a0=1010 0000 ，1010是固定的，0000是地址，这里是写入地址 i2c_send_byte(0xa0); i2c_wait_ack(); i2c_send_byte(addr); i2c_wait_ack(); i2c_send_byte(dat); i2c_wait_ack(); i2c_stop(); delay_ms(10); } / * @brief EEPROM 读取数据 */ u8 at24c02_read(u8 addr) { u8 dat; i2c_start(); // 发送器件地址和写控制位 i2c_send_byte(0xa0); i2c_wait_ack(); // 写入要读取的地址 i2c_send_byte(addr); i2c_wait_ack(); // 改变传送方向,读写信号反过来,重新启动 i2c_start(); // 发送器件地址和读控制位 i2c_send_byte(0xa1); i2c_wait_ack(); // 读取数据 dat=i2c_read_byte(0); i2c_stop(); return dat; } 

main.c

#include <reg52.h> #include "led_utils.h" #include "common_utils.h" #include "types.h" #include "timer_utils.h" #include "uart_utils.h" #include "key_utils.h" #include "eeprom_utils.h" #include "types.h" static u8 i = 0; / * @brief 按键3回调函数 */ void key3_4Callback(int keyNum){ u8 dat; if(keyNum == 3){ LED1 = 1; at24c02_write(0x00, i); uart_send(i); i++; }else{ LED1 = 0; // 读取数据 dat = at24c02_read(0x00); uart_send(dat); } } / * @brief 主函数 */ main() { // 关闭所有led led_all_off(); key3_init(); key4_init(); uart_init(0xFA); setCallback(key3_4Callback); while(1) { } } 

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