【51单片机】I2C总线详解 + AT24C02

🕗 发布于 2024-11-10 12:18 51单片机 嵌入式硬件 单片机 开发语言 1024程序员节

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：
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文章目录

AT24C02介绍
- 存储器
I2C总线介绍
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：

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

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

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

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）

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

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)

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

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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
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
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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述

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

/**
  * @briefI2C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;
}
/**
  * @briefI2C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;
}
/**
  * @briefI2C发送字节数据
  * @parmByte：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。
}
}
/**
  * @briefI2C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
  * @parmAckBit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
  * @retvalAck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
  * @parmWordAddress:写到暂存器的什么地址
  * @parmData: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
  * @parmWordAddress: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

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原文地址：https://blog.csdn.net/m0_72563041/article/details/143579449

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