第8章 I²C总线AT24C02芯片应用

8.1I²C总线概述

I²C总线介绍
I²C总线是近年来微电子通讯控制领域广泛采用的一种新型总线标准，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I²C总线器件同时接到I²C总线上，所有与I²C兼容的器件都具有标准的接口，通过地址来识别通信对象，使它们可以由I²C总线互相直接通信。
I²C总线有数据线SDA和时钟线SCL两条线构成通信线路，即可以发送数据，也可以接收数据。在CPU与被控IC（被控元器件）之间、IC与IC之间都可以进行双向传送，各种被控器件均并联在总线上，但每个器件都有唯一的地址。在信息传输过程中，I²C总线上并联的每个器件，计时被控器（或主控器），也是发送器（或接收器），这取决于它要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和数据码两部分：地址码用来选址，即接通需要控制的电路；数据码是通信的内容，这样各IC控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立。
I²C总线硬件结构
SCL是时钟线，SDA是数据线。
总线上各器件采用漏极**开路结构（漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻或使用如LCX245等电平转换芯片。）**结构与总线相连，因此SCL和SDA均需接上拉电阻。总线在空闲状态下均保持高电平，连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低。
I²C总线支持多主和主从两种工作方式，通常为主从工作方式。**在主从工作方式中，系统中只有一个主器件（单片机），其他器件都是具有I²C总线的外围从器件。**在主从工作方式中，主器件启动数据的发送（发送启动信号），产生时钟信号，发出停止信号
I²C总线通信格式
下图为I²C总线上进行一次数据传输的通信格式。
数据位的有效性规定
I²C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
总线空闲状态
I²C总线的SDA和SCL两条线处于高电平的时候，规定为总线的空闲状态，也称为释放总线。同理，SDA和SCL哪条线处于高电平了，哪条线也就是被释放了。
发送启动信号
再利用I²C总线进行一次数据传输时，先有主机发出启动信号，启动I²C总线。在SCL为高电平期间，SDA出现下降沿则为启动信号。此时具有I²C总线接口的从器件会检测到该信号
发送寻址信号
主机发送启动信号后，在发出寻址信号。器件地址有7位和10位，这里介绍7位。寻址字节的位定义如下。
寻址信号由一个字节构成，高7位为地址位，最低位为方向位，用以表明主机与从器件的数据传送方向。方向位为0时，表明主机接下来对从器件进行写操作；方向位为1，表明主机接下来对从器件进行读操作。
主机发送地址时，总线上的每一个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据方向位（R/W位）将自己确定为发送器或接收器。
从机的地址码由固定部分和可编程部分组成，其中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如果一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这是仅能寻址8个同样的器件，即可有8个同样的器件接入到该I²C总线系统中。
应答信号
I²C总线协议规定，每传送一字节数据（含地址及命令字）（8个时钟周期）后，由接收器反馈一个应答信号（第9个时钟周期），已确定数据传送是否被对方受到，**应答信号由接收设备产生，在SCL信号为高电平期间，接收设备将SDA拉为低电平，也就是应答信号为低电平，表示数据传输正确，产生应答。应答信号为高电平时，规定为非应答信号，一般表示接收器没有成功接收该字节。**当主机作为接收设备时，主机对最后一字节不应答，以向发送设备表示数据传送结束。
无论是以上那种情况，都会终止数据传输，这时主机或是产生停止信号释放总线，或是产生重新开始信号开始一次新的通信。
数据传输
主机发送寻址信号，并得到从器件应答后，便可进行数据传输，每次1位，每个位传输时间对应一个时钟周期，也就是一次时钟脉冲送一个位，那么送完一个字节要8个位，也就是8个时钟周期，那么在第9个时钟周期的时候释放数据线SDA，由接收器反馈一个应答信号，但每次传输都应在得到应答信号后再进行下一字节传送。
发送停止信号
在全部数据传送完毕后，主机发送停止信号，即在SCL为高电平期间，SDA上产生一个上沿信号，停止时序图如下。

8.2单片机模拟I²C总线通信

市面上许多单片机是由I²C总线接口的，工作的时候总线的状态有硬件检测控制，不用人为干涉。但是我们51单片机是没有I²C总线接口的，但是我们可以通过软件模拟I²C总线的工作时序，从而达到控制I²C总线接口器件。

为了保证数据传送的可靠性，标准I²C总线的数据传送有严格的时序要求。单片机在模拟I²C总线通信时，需写出如下关键部分的程序：总线初始化、启动信号、应答信号、停止信号、写1字节、读1字节。

总线初始化

void init()
{
    SCL=1;
    delay();
    SDA=1;//将总线都拉高以释放总线
    delay();
}

启动信号

void start()
{
    SDA=1;
    delay();
    SCL=1;
    delay();
    SDA=0;
    delay();
}

应答信号
```
void respons()
{
    unsigned char i=0;
    SCL=1;
    delay();
    while((SDA==1)&&(i<256))
        i++;
    SCL=0;
    delay();
}
```
这里我们要注意一点，我们接收应答信号，是从器件将SDA拉低，所以我们这里是要接受到SDA拉低的信息。如果少了这个while函数，那么主机收不到应答信号时，就会一直停留在这里，我们让他一段时间接收不到应答信号后就自动退出。

停止信号

void stop()
{
    SDA=0;
    delay();
    SCL=1;
    delay();
    SDA=1;
    delay();
}

写字节
1. 主机在检测到总线为“空闲状态时”（即SDA、SCL均为高电平）时，发送一个启动信号，开始通信
2. 主机接着发送一个寻址信号。该字节由7位外围器件地址和1位读写控制位R/W组成（此时R/W=0，表示主机对从机进行写操作）
3. 相对应的从机收到寻址信号后向主机回馈应答信号 ACK（ACK=0），寻址信号也是1字节，所以也要反馈
4. 主机收到从机的应答信号后开始发送第一个字节的数据
5. 从机收到数据后返回一个应答信号 ACK
6. 主机收到应答信号后再发送下一个数据字节
7. 当主机发送最后一个数据字节并收到从机的 ACK 后，通过向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线。从机收到P信号后也退出与主机之间的通信
```
void write_byte()
{
    unsigned char 1,temp;
    temp=date;
    for(i=0;i<8;i++)
 {
     temp=temp<<1;
     SCL=0;//这里发送数据的时候，SCL得是低电平才行，因为SDA送数据是送0,1的，只有SCL=0，SDA的电平才能改变;其实看前面应答信号下的图，你会发现，在刚刚送进去一个位时，SCL永远是低电平，然后在送的中途，它又是高电平，然后下一个字节开始了，又变成低电平。这里置零准确来说是为了第一位数据的传送，后面的它自己会变的。
     delay();
     SDA=CY;//这里你就理解成，temp那8位，从最高位开始一个个进入CY，然后就送到SDA上发出去
     delay();
     SCL=1;
     delay();
 }
    SCL=0;
    delay();
    SDA=1;
    delay();//这个SCL=0;SDA=1目的是释放数据线，使SDA处于空闲状态，为下次数据线的传输数据做准备。
}
```
串行发送1字节时，需要把其中的8位一位位地发出去，“temp=temp<<1”表示将temp左移一位，最高位将移入PSW寄存器的CY为中，然后将CY赋给SDA进而在SCL的控制下发送出去。
PSW寄存器
PSW（程序状态标志寄存器）是一个8位寄存器，位于单片机的特殊功能寄存区，字节地址为D0H，用来存放运算结果的一些特征，如有无仅为，借位等。使用汇编语言是，PSW寄存器很有用，但在利用c语言编程时，编译器会自动控制该寄存器，很少有人人为操作它。
- CY——进位标志位，表示运算是否有进位（或借位）。这里使用的使它的第二个功能，用于寄存器中的移位操作。
- 其他的先不讲了吧，暂时用不上。
移位操作
1. 左移
  C51中的操作符号是“<<”，每执行一次左移指令，被操作的数（二进制）将最高位移入单片机PSW寄存器的CY位，CY位中原来的数丢弃，最低位补0，其他位依次向左移动一位。
  CY 最高位最低位
  X（可1可0） 0 1 1 0 1 0 1 1
  左移后变成
  CY 最高位最低位
  0 1 1 0 1 0 1 1 0
2. 右移
  这个和左移其实是同理的，只不过变成右移，然后将最低位放入CY中，然后最高位补0。
3. 循环右移和循环左移
  这两个不同于上面两个操作，是真的循环，最高位去到最低位或者最低位去到最高位，就是一个循环的样子。循环右移在C51库中有现成函数 _ crol_，循环左移的话就是 _cror _。直接使用就好了。
  使用起来是x=_crol _(x,n);，这个表示的是将x个8位数据左移n位。
4. 例子
  用循环右移库函数来实现流水灯
```
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>//包含_crol_函数所在的头文件
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
void delayms(uint);
uchar aa;
void main()
{
    aa=0xfe;
    while(1)
    {
        P1=aa;
        delayms(500);
        aa=_crol_(aa,1);
    }
}
void delayms(uint xms)
{
    uint i,j;
    for(i=xms;i>0;i--)
        for(j=xms;j>0;j--);
}
```

CY	最高位							最低位
X（可1可0）	0	1	1	0	1	0	1	1

CY	最高位							最低位
0	1	1	0	1	0	1	1	0

读1字节

主机发送启动信号后，接着发送命令字节（其中 R/W=1）
对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据
主机收到数据后向从机反馈一个应答信号
从机收到应答信号后再向主机发送下一个数据
当主机完成接收数据后，向从机发送一个“非应答信号（ACK=1）”，从机收到ACK=1 的非应答信号后便停止发送
主机发送非应答信号后，再发送一个停止信号，释放总线结束通信

uchar read_byte()
{
    unsigned char i,k;//这里定义变量，其实就是定义了单片机中的一个缓冲寄存器，在RAM中的寄存器，默认8位都是0.那么下面的解释的通了
    SCL=0;
    delay();
    SDA=1;//这里释放数据线，让他之后的电平由信号决定
    for(i=0;i<8;i--)
    {
        SCL=1;//这里将SCL拉高，上升沿相当于驱动力或者说是协议，唤醒对方处理，就是告诉被读器件要开始读了
        delay();
        k=(k<<1)|SDA;//由于k的8位全都是0，通过或运算就可以全部接收了
        SCL=0;//这里告诉它我读完了
        delay();
    }
    delay();
    return k;
}

串行接收1字节时需要将8位一位一位地接收，再组合成1字节。上面定义一个临时变量k，将k左移一位后于SDA进行或运算，一次吧8个独立的位放入以字节中来完成接收。

8.3E²PROM AT24C02与单片机的通信实例

E²PROM：电可擦可编程只读存储器

E²PROM拥有I²总线接口，ATMEL公司生产的AR24C系列E²PROM，主要型号有AT24C01/02/04/08/16，02对应的储存容量是256X8。采用这类芯片可以解决掉电数据保存问题，可对所存数据保存100年，并可多次擦写，擦写次数可达10W次以上。

1.AT24C02引脚配置与引脚功能

AT24C02芯片的常用封装形式有直插式和贴片式两种。如下图所示

下图是它的引脚图

各引脚功能如下：

1、2、3引脚（A0、A1、A2）——可编程地址输入端
4（GND）——电源接地端
5（SDA）——串行数据输入/输出端
6（SCL）——串行时钟输入端
7（WP）——写保护输入端，用于硬件数据保护。其为低电平时，可以对整个存储器进行正常的读/写操作；为高电平时，存储器具有写保护功能，但读操作不受影响。
8（VCC）——电源正端

2.存储结构与寻址

AT24C02的存储容量为2Kb，内部分成32页，每页8B，共256B（这里注意一下，存储容量为2Kb等于2048位，256B表示256个字节，小写b表示bit，位；大写B表示byte，字节），操作时有两种寻址方式：芯片寻址和片内子地址寻址。

芯片寻址
AT24C02的芯片地址为1010，期地址控制字格式为1010A2A1A0R/W，其中A2、A1、A0为可编程地址选择位。A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码，与1010形成7位编码，即该器件的地址码。R/W为芯片读写控制位，该位为0，表示对芯片进行写操作；该位为1，表示对芯片进行读操作。
片内子地址寻址
芯片寻址可对内部256B中的任何一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单元。

3.读/写操作时序

串行E²PROM一般有两种写入方式：字节写入方式、页写入方式。

页写入方式允许在一个写周期（10ms）左右对1字节到1页的若干字节进行编程写入，AT24C02的页面大小为8B。采用页写入方式可提高写入效率，但容易发生事故。AT24C系列芯片内地址在接收到每个数据字节后自动加1，故装载一页以内数据字节时，只用输入首地址。如果写到此页的最后1字节，主器件继续发送数据，数据将重新从该页的首地址写入，进而造成原来的数据丢失，这就是页地址空间的“上卷”现象。（这个就是说只要输入每页首地址，数据就会从首地址自动的一个个排下去，如果排满了，会从这一页的首位再开始接受，那么原来的首位就消失了，就是这个意思）

解决“上卷”的方式：在第8个数据后将地址强制加1，或是将下一页的首地址重新赋给寄存器。

字节写入方式
单片机在一次数据帧中只访问E²PROM一个单元。该方式下，单片机先发送启动信号，然后送1字节的控制字（1010A2A1A0R/W这个，声明控制这个芯片），再送1字节的存储器单元子地址（00~FF）。上述2个字节都得到E²PROM响应后，发送8位数据，最后再发送1位停止信号。
发送流程如下
页写入方式
单片机在一个数据写周期内，可以连续访问1页（8个）E²PROM存储单元，单片机先发送启动信号，接着送1字节的控制字，再送1字节的存储器起始单元地址。上述字节都得到E²PROM应答后，就可以发送最多1页的数据，并顺序存放在以指定起始地址开始的相继单元，最后以停止信号结束。
流程如下
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-REdplo3X-1601302118650)(C:/Users/Asus/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20200927165030037.png)]
指定地址读操作
读指定地址单元的数据。单片机在启动信号后先发送含有片选地址的写操作控制字，E²PROM应答后发送1字节的指定单元地址，再发送一个含有片选地址的读操作控制字。如果E²PROM做出应答，被访问单元的数据就会按SCL信号同步出现在串行数据/地址线SDA上。（这里简单来说，写入器件地址，然后写入器件内部地址，然后让给单片机一个读的指令，让单片机读取该地址器件内部的地址上的数据，就酱）
这种读操作的数据帧格式如下
指定地址连续读
该方式的读地址控制与前面指定地址读相同。单片机接收到每个字节数据后应做出应答，只要E²PROM检测到应答信号，其内部的地址寄存器就自动加1，指向下一个单元，并顺序将指向的单元的数据送到SDA串行数据线上。当需要结束读操作时，单片机接收到数据后在需要应答的时刻发送一个非应答信号，在发送一个停止信号即可。

4.TX-1C实验板与AT24C02连接

实例：利用定时器产生一个0~99秒变化的秒表，并且显示在数码管上，每过1秒，将这个变化的数写入板上AT23C02内部。当关闭实验板电源，并再次打开实验板电源时，单片机先从AT24C02中将原来写入的数读出来，接着此数继续变化并显示在数码管上

#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int 
bit write=0;//定义了一个单个的二进制位，这个位的值初始是0，然后要么1要么0
sbit sda=P2^0;
sbit scl=P2^1;
sbit dula=P2^6;
sbit wela=P2^7;
uchar sec,tcnt;
uchar code table[]={0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 
                    0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71};
void delay(){;;}
void delay1ms(uint z)
{
    uint x,y;
    for(x=z;x>0;x--)
        for(y=110;y>0;y--);
}
void start()//启动信号
{
    sda=1;
    delay();
    scl=1;
    delay();
    sda=0;
    delay();
}
void stop()//停止信号
{
    sda=0;
    delay();
    scl=1;
    delay();
    sda=1;
    delay();
}
void respons()//应答信号
{
    unsigned char i;
    scl=1;
    delay();
    while((sda==1)&&(i<256))
    {
        i++;
    }
    scl=0;
    delay();
}
void init()//总线初始化
{
    scl=1;
    delay();
    sda=1;
    delay();
}
void write_byte(uchar date)//写操作
{
    unsigned char i,temp;
    temp=date;
    for(i=0;i<8;i++)
 {
     temp=temp<<1;
     scl=0;
     delay();
     sda=CY;
     delay();
     scl=1;
     delay();
 }
    scl=0;
    delay();
    sda=1;
    delay();
}
uchar read_byte()
{
    unsigned char i,k;
    scl=0;
    delay();
    sda=1;
    delay();
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        scl=1;
        delay();
        k=(k<<1)|sda;
        scl=0;
        delay();
    }
    delay();
    return k;
}
void write_add(uchar address,uchar date)//字节写入格式格式
{
    start();
    write_byte(0xa0);//10100000
    respons();
    write_byte(address);
    respons();
    write_byte(date);
    respons();
    stop();
}
uchar read_add(uchar address)
{
    uchar date;
    start();
    write_byte(0xa0);
    respons();
    write_byte(address);
    respons();
    start();
    write_byte(0xa1);
    respons();
    date=read_byte();
    stop();
    return date;    
}
void display(uchar shi_c,uchar ge_c)//显示程序
{
    dula=0;
    P0=table[shi_c];//显示第一位
    dula=1;
    dula=0;
    wela=0;
    P0=0xfd;//11111101
    wela=1;
    wela=0;
    delay1ms(500);
    dula=0;
    P0=table[ge_c];//显示第二位
    dula=1;
    dula=0;
    wela=0;
    P0=0xfe;//11111110
    wela=1;
    wela=0;
    delay1ms(500);
}
void main()
{
    init();
    sec=read_add(2);//读出保存的数据赋予sec
    if (sec>100)//防止首次读取出现错误
    {
        sec=0;
    }
    TMOD=0x01;//定时器工作在方式1
    ET0=1;
    EA=1;
    TH0=(65536-50000)/256;
    TL0=(65536-50000)%256;//定时器0.05秒中断一次
    TR0=1;//启动定时器
    while(1)
    {
        display(sec/10,sec%10);
        if(write==1)//判断计时器是否计时1秒
        {
            write=0;//清0
            write_add(2,sec);//在24c02的地址2中写入数据sec
        }
    }
}
void t0() interrupt 1//定时器中断服务函数
{
    TH0=(65536-50000)/256;
    TL0=(65536-50000)%256;
    tcnt++;//每过50ms，tcnt加1
    if(tcnt==20)
    {
        tcnt=0;//重新再计
        sec++;
        write=1;//1秒写一次24c02
        if(sec==100)//定时100秒，再从零开始计时
        {
            sec=0;
        }
    }
}

这里面void delay(;;)是一个微秒级别的延时函数，用空语句来实现短时间延时。，在晶振为11.0592MHz时，该延时函数延时大概4~5μs，用来操作I²C总线。
在主程序的开始出先读取上次写入AT24C02中的数据，下面两句是为了防止第一次操作AT24C02时出现读取数据大于100的情况，导致数码管乱码。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_46440098/article/details/108858757

第8章 I2C总线AT24C02芯片应用

8.1I2C总线概述

8.2单片机模拟I2C总线通信

PSW寄存器

移位操作

8.3E2PROM AT24C02与单片机的通信实例