51单片机学习笔记10 IIC通讯和EEPROM

news2024/9/23 22:41:07

51单片机学习笔记10 IIC通讯和EEPROM

  • 一、IIC通讯简介
    • 1. 基本特点
      • 优点
      • 缺点
    • 2. 工作模式
    • 3. 整体流程
    • 4. 信号流程
      • **起始信号**
      • **停止信号**
      • **应答信号**
      • 非应答信号
      • 主机等待从机应答
      • 完整写入过程
      • 完整读取过程
  • 二、AT24C02 芯片介绍
    • 1. 引脚介绍
    • 2. 典型总线配置
  • 三、开发示例
    • 1. 硬件连接
    • 2. 软件实现
      • i2c_utils.c
      • eeprom_utils.c
      • main.c

在这里插入图片描述

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：

    • 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。

  2. 从机地址发送：

    • 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。

  3. 应答信号接收：

    • 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。

  4. 数据传输：

    • 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。

  5. 重复步骤3和4：

    • 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。

  6. 停止信号：

    • 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。

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述
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）。
在这里插入图片描述

/**
* @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）。
在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

  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

在这里插入图片描述

三、开发示例

1. 硬件连接

在这里插入图片描述

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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https://gitee.com/xundh/learn51

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