【51单片机】I2C总线详解 + AT24C02

学习使用的开发板：STC89C52RC/LE52RC
编程软件：Keil5
烧录软件：stc-isp

开发板实图：
在这里插入图片描述

文章目录

  • AT24C02介绍
    • 存储器
  • I2C总线介绍
    • I2C时序结构
    • 数据帧
    • AT24C02数据帧
  • 编程实例 —— 按键控制数据大小&存储器写入读出

AT24C02介绍

  • AT24C02 是一种可以实现掉电不丢失的存储器，可用于保存单片机运行时想永久保存的数据信息
  • 存储介质：E2PROM
  • 通讯接口：I2C总线
  • 容量：256字节

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引脚及应用电路如下：

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详细结合I2C通信协议讲解

存储器

存储器大致分为两类：
RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)，掉电丢失
ROM(Read Only Memory，只读存储器)，掉电不丢失

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RAM

  • SRAM（静态随机存储器）：访问时间短，速度快，用于CPU高速缓存(Cache)。
  • DRAM（动态随机存储器）：访问时间长，速度较慢，用于主存，也就是运行内存。

ROM

  • Mask ROM：在制作过程写入，写入后不可更改，类似磁带，只用于读取
  • PROM：可改写一次的只读存储器。PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0(部分的PROM相反，出场全为0)， 以实现对其“编程”的目的
  • EPROM(可擦除可编程ROM)：具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间，且时间较长
  • E2PROM/E2PROM/EEPROM(电可擦除)：可直接用电信号擦除，也可用电信号写入，写入时间为ms级别
  • Flash(闪存)：属于E2PROM的改进产品。最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。
  • 硬盘、软盘、光盘：相应控制器 + Flash闪存芯片

I2C总线介绍

单片机常用的通信方式有：UART(串口)、SPI、I2C、DS232

UART常用于两个单片机进行通信，详情参看【51单片机】串口通信
UART有三个缺陷：不能远距离传输、传输速度慢、不能一对多通信。针对这三个缺陷，衍生出了其他的通信方式：

远距离传输：RS232/RS485

传输速度：SPI(加了个clock线提供时钟信号)，常用于SD卡，屏幕这类对通信速度要求高的外设

一对多通信：I2C —— 常用于开发板中，单片机与其他外设进行通信

  • I2C总线(Inter IC BUS) 是由 Philips 公司开发的一种通用数据总线
  • 同步、半双工、带数据应答
  • 有两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

所有I2C设备的 SCL 连接在一起，SDA 连在一起
设备的 SCL 和 SDA 均要配置成开漏输出模式

在这里插入图片描述

开漏输出可参看B站up主工科男孙老师的《推挽 开漏 高阻 这都是谁想出来的词？？》
开漏输出可用于适配不同电压的芯片；在总线通信时避免不同设备输出高低电平导致设备烧毁。通过搭配外接上拉电阻输出高低电平
当 SCLKN1OUT 关闭，SCLKIN 为高电平；当 SCLK1OUT 打开，SCLKIN 为低电平

SCL 和 SDA 各添加一个上拉电阻，阻止一般为4.7KΩ左右
上拉电阻可参看B站up主工科男孙老师的《单片机的上拉电阻 到底在拉什么？》
上拉电阻阻值过小，会漏电；阻值过大，驱动能力(将低电平拉高的速度)下降。

当总线挂载设备增多时，可适当降低上拉电阻阻值

在这里插入图片描述
开漏输出 和 上拉电阻 的共同作用实现了“线与”的功能，解决多机通信互相干扰的问题
当总线设备较多且通信速度要求高，可以适当降低上拉电阻的阻值

详情参看B站up主工科男孙老师的《单片机I2C通信入门(上)：硬件部分有哪些注意点?》

I2C时序结构

因为总线上挂载多个设备，需要约定通信协议才能让通信正确无误，畅通无阻
例如一次读数据通信，需要知道什么时候发起，向谁读数据，对方是否存在，读数据，停止读数据。
I2C通信协议将上述操作都抽象成了一个个时序，最终拼接成数据帧

总共有六个时序结构，如下：

起始条件 —— 数据帧的起始，表示开始通信

  • SCL 高电平期间，SDA 从高电平切换到低电平
    在这里插入图片描述

终止条件 —— 数据帧的结尾，表示通信结束

  • SCL 高电平期间，SDA 从低电平切换到高电平
    在这里插入图片描述

发送一个字节 —— 可发送数据，I2C地址，字地址…

  • SCL 低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上(高位在前)，然后拉高 SCL，从机(对方设备)将在 SCL 高电平期间读取数据位。SCL 高电平期间 SDA 不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节数据
    在这里插入图片描述

注意：先拉低 SCL，再将数据放到 SDA，然后拉高 SCL，此时从机会读取 SDA 数据

接收一个字节 —— 主机(MCU) 接收从机数据

  • SCL 低电平期间，从机将数据依次放到 SDA 线上(高位在前)，然后拉高 SCL，主机将在 SCL 高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）
    在这里插入图片描述

注意：先拉高 SDA，释放总线给从机。从机在 SCL 低电平时将数据放到 SDA ，主机拉高 SCL 读取数据，再拉低 SCL 让从机放数据

发送应答 —— 接收从机数据后，告诉从机无误或有误

  • 在接收完一个字节之后，主机在下一个时钟发送一位数据、数据0表示应答，数据1表示非应答。发送流程同发送一位数据
    在这里插入图片描述

接收应答 —— 主机发送一字节数据后，接收从机的接收应答

  • 在主机发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0 表示应答，数据1 表示非应答(主机在接收之前，需要释放SDA)
    在这里插入图片描述

数据帧

I2C数据帧描述具体的一次通信，由上述时序结构拼接而成。

发送一帧数据 —— 向谁发什么

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协议格式中第一个字节(为slave address)由7位地址和一位R/W读写位组成的，这字节是个器件地址。

I2C 挂载多个设备，通过从机地址(slave address)标识对哪个设备进行读/写操作

常用I2C接口通用器件的器件地址是由种类型号，及寻址码组成的，共7位。
如格式如下：

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  1. 器件类型：A6 - A3 共4位决定的。这是由半导公司生产时就已固定此类型的了，也就是说这4位已是固定的。本开发板为 1010

  2. 用户自定义地址码：A2 - A0 共3位。这是由用户自己设置的，通常的作法如EEPROM这些器件是由外部IC的3个引脚所组合电平决定的（用常用的名字如A0,A1,A2）。这也就是寻址码。AT24C02 的寻址码为 000
    在这里插入图片描述

  3. 最低一位就是R/W位，，“0”表示写，“1”表示读（通常读写信号中写上面有一横线，表示低电平）。所以I2C设备通常有两个地址，即读地址和写地址

综上，AT24C02 的写地址为0xA0，读地址为0xA1

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回到数据帧，发送一帧数据流程如下

S(起始位) -> 发送从机地址 + W -> 从机返回接收应答 -> 发送一字节数据 -> 从机返回接收应答 … -> P(终止位)

接收一帧数据

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S(起始位) -> 发送从机地址 + W -> 从机返回接收应答 -> 接收一字节数据 -> 主机发送应答 -> … -> P(终止位)

复合格式 —— 先发送再接收

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AT24C02数据帧

AT24C02是一个存储器，本质就是写入数据和读取数据，其数据帧分为字节写 和 随机读

字节写

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存储器内部还有字地址，需要指明将数据写到存储器的哪个位置 —— word address

随机读

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需要先告诉 AT24C02 要读哪个地址的数据，再进行读字节数据帧

编程实例 —— 按键控制数据大小&存储器写入读出

按键和数码管部分参看【51单片机】独立按键 和 【51单片机】数码管

首先对I2C的时序结构进行封装，读者可以对照上述时序图，代码如下：

#include <REGX52.h>
#include "Delay.h"

sbit I2C_SDA = P2^0;//数据线
sbit I2C_SCL = P2^1;//Clock线

/**
  * @brief		I2C开始标志
  * @parm		无
  * @retval		无
  */
void I2C_Start()
{
	//起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平
	//先置SDA = 1，确保从高电平切到低电平
	I2C_SDA = 1;
	//SCL置高电平
	I2C_SCL = 1;
	//SDA由高电平切换为低电平
	I2C_SDA = 0;
	//SCL恢复低电平
	I2C_SCL = 0;
}
/**
  * @brief		I2C停止标志
  * @parm		无
  * @retval		无
  */
void I2C_Stop()
{
	//终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
	//先置SDA = 0，确保从低电平切到高电平
	I2C_SDA = 0;
	//SCL置高电平
	I2C_SCL = 1;
	//SDA由低电平切换为高电平
	I2C_SDA = 1;
}
/**
  * @brief		I2C发送字节数据
  * @parm		Byte：要发送的数据，范围: 0 ~ 255
  * @retval		无
  */
void I2C_SendByte(unsigned char Byte)
{
	//发送数据：从高位开始
	//SCL低电平期间，SDA写数据，SCL拉高后，从机读取数据
	unsigned char i = 0;
	for(i = 0; i < 8; ++i)
	{
		I2C_SDA = Byte & (0x80 >> i);
		I2C_SCL = 1;//此处要注意若机器频率过快，可能导致从机还没读到数据，SCL就被拉低了
		I2C_SCL = 0;//需要查看手册。
	}
}
/**
  * @brief		I2C读取一字节数据
  * @parm		无
  * @retval		读取到的数据
  */
unsigned char I2C_ReceiveByte()
{
	//接收数据，从高位开始
	//SCL高电平时，从SDA读数据
	unsigned char Byte = 0, i;
	//将SDA置高电平，释放SDA给从机
	I2C_SDA = 1;
	for(i = 0; i < 8; ++i)
	{
		I2C_SCL = 1;
		if(I2C_SDA)	Byte |= (0x80 >> i);
		I2C_SCL = 0;
	}
	return Byte;
}
/**
  * @brief		发送应答
  * @parm		AckBit为0表示应答，为1表示非应答
  * @retval		无
  */
void I2C_SendAck(unsigned char AckBit)
{
	//在读完一个字节后，主机在下一个时钟发送一位数据
	//数据0表示应答，数据1表示非应答
	I2C_SDA = AckBit;
	I2C_SCL = 1;
	I2C_SCL = 0;
}
/**
  * @brief		接收应答
  * @parm		无
  * @retval		Ack为0表示应答，为1表示非应答
  */
unsigned char I2C_ReceiveAck()
{
	//在发完一个字节后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答
	//数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
	unsigned char Ack;
	//释放SDA
	I2C_SDA = 1;
	//SCL置高电平
	I2C_SCL = 1;
	//读响应
	Ack = I2C_SDA;
	//SCL置低电平
	I2C_SCL = 0;
	return Ack;
}

然后封装 AT24C02 的两个数据帧，对 I2C 的时序结构进行拼接

#include <REGX52.h>
#include "I2C.h"
//AT24C02的从机地址写，从机地址读需 |= 0x01
#define AT24C02_ADDRESS 0xA0

/**
  * @brief		向AT24C02暂存器写入数据
  * @parm		WordAddress:写到暂存器的什么地址
  * @parm		Data:要写入的数据	
  * @retval		无
  */
void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Data)
{
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(WordAddress);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(Data);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_Stop();
}
/**
  * @brief		从AT24C02读取数据
  * @parm		WordAddress:读什么地址的数据
  * @retval		读出的数据
  */
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress)
{
	unsigned char Data;
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(WordAddress);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS | 0x01);//此处是读
	I2C_ReceiveAck();
	Data = I2C_ReceiveByte();
	I2C_SendAck(1);
	I2C_Stop();
	return Data;
}

主程序 —— 监控按键按下，并执行相应操作

  • 按键一：变量++
  • 按键二：变量–
  • 按键三：将变量写入 AT24C02
  • 按键四：将数据读出 At24C02
#include <REGX52.h>
#include "AT24C02.h"
#include "SoleKey.h"
#include "LCD1602.h"
#include "Delay.h"


void main()
{
	unsigned char Key = 0;
	unsigned int Count = 0;
	LCD_Init();//LCD1602初始化
	LCD_ShowNum(1, 1, Count, 5);
    while(1)
    {
        Key = SoleKey();//获取哪个按键按下
		if(Key)
		{
			if(Key == 1)//1按键按下，Count++
			{
				Count++;
				LCD_ShowNum(1, 1, Count, 5);
			}
			else if(Key == 2)//2按键按下，Count--
			{
				Count--;
				LCD_ShowNum(1, 1, Count, 5);
			}
			else if(Key == 3)//3按键按下，存储数据
			{
				AT24C02_WriteByte(0x00, Count / 256);
				Delayms(5);//因为写速度较慢，不能连续写，会导致数据错误
				AT24C02_WriteByte(0x01, Count % 256);
				LCD_ShowNum(1, 1, Count, 5);	
				//显示写入成功
				LCD_ShowString(2, 1, "Write OK!");
				Delayms(1000);
				LCD_ShowString(2, 1, "         ");
			}
			else if(Key == 4)//4按键按下，读出数据
			{
				Count = AT24C02_ReadByte(0x00) * 256 + AT24C02_ReadByte(0x01);
				LCD_ShowNum(1, 1, Count, 5);
				//显示读出成功
				LCD_ShowString(2, 1, "Read OK! ");
				Delayms(1000);
				LCD_ShowString(2, 1, "         ");
			}
		}
		
    }
}

效果如下：

【51单片机AT24C02 & I2C通信】

完整项目链接：

AT24C02 存储数据 & I2C通信

以上就是本篇博客的所有内容，感谢你的阅读
如果觉得本篇文章对你有所帮助的话，不妨点个赞支持一下博主，拜托啦，这对我真的很重要。
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