单片机学习（十一）I2C总线和AT24C02的使用

一、 存储器介绍

存储器分类图

1. RAM

这类存储器中的数据都是掉电即失的，例如计算机中的内存就是DRAM，但它们数据读写速度都是要比ROM要快得多的。

• SRAM：本质是电路，使用电路构成的触发器来存储数据（如JK触发器），因此这种存储器读写数据是最快的，而它们的成本也比较高，一般用作计算机的高速存储器，寄存器等
• DRAM：使用电容来存储数据，因为电容存在漏电现象，因此需要每隔一段时间进行扫描重新充电。它们一般用来构成计算机的内存，手机的闪存等。

2. ROM

这类存储器中的数据有着掉电不丢失的特性，但它们读写数据的速度远小于RAM

• Mask ROM：仅由电路构成，只读的ROM，就是只可读不可写
• PROM：可以写入数据，但只能写入一次数据
• EPROM：可读可写
• ...

二、AT24C02简介

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要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

电路连接

三、I2C总线和AT24C02数据帧

I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线（通信协议）

• 两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
• 同步、半双工，带数据应答
• 通用的I2C总线，可以使各种设备的通信标准统一，对于厂家来说，使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性，对于应用者来说，使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议，降低了学习和应用的难度

1. 电路规范

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右
• 开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题

2. I2C的时序结构

我们可以将通过I2C协议实现主机与从机通信的过程分为以下六个部分，这六个部分可以像拼图一样拼凑出所有的通信过程：

2.1 发送起始信息

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平，如下图所示：

同时为了使这块拼图可以和其他的部分连接上，我们在发送起始信息（start）之后，也将SCL拉低。

2.2 发送终止信息

终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

同理，为了和其他拼图拼接上，我们得到的SCL原来是低电平的（这是因为后面的4块拼图结束时SCL都是低电平，因此来到终止信息时也是低电平），我们先拉高SCL，然后拉高SDA即可发送终止信号了。

2.3 发送一个byte的信息

发送一个byte（字节）信息可以分解为循环发送8个bit 的信息，因此我们只需要知道如何发送一个bit的信息即可。

发送一个bit信息的操作：(1)SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），(2)然后拉高SCL，从机将在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

即如果我们希望发送0，则：

1. 在SCL在低电平时，将SDA的电平拉低（置零）
2. 再将SCL的电平拉高，提醒从机读取信息
3. 过一段时间（等待从机把信息读取完成）后再次将SCL拉低

具体的过程如图所示：

例如在B7时间内，如果SDA为低电平，则发送的数据为0，如果为高电平则发送的数据为1

2.4 接收一个byte的信息

和发送信息类似，我们只需要知道如何接收一个bit的信息，然后只需要循环进行8次即可接收一个字节的信息了。

接收一个bit信息的操作：(1)SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），(2)然后拉高SCL(相当于通知从机主机正在读取这个bit的数据)，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。（主机在接收之前，需要释放SDA）

具体的过程如图所示：

这个过程我个人的理解是：

1. 释放SDA（拉高电平），将写入数据的主动权交给从机
2. 从机写入下一位bit到SDA中
3. 主机拉高SCL，提示从机我正在读取这个bit的数据，你先不要变化
4. 主机读取完数据，将SCL拉低，实际上这个过程是在告诉从机我已经读完这个bit了，你给我下一个bit的数据吧，然后如果还未满8位则转到第2步继续接受数据，如果满了一个字节则接收结束

对比发送数据和接收数据可以发现，这两个过程非常的相似，只不过(1)发送信息时写入信息的一方是主机，而接收信息时写入数据的是从机，(2)发送信息时拉高和拉低SCL电平是通知从机读取信息，而在接收信息时则是通知从机主机当前正在读取信息。

可以发现单从开始时的SCL和SDA的状态是无法区分主机是想发送还是接收信息的，其实接收数据还是发送数据是由后面的时序过程（数据帧）所决定的，不需要起始状态进行区分。

2.5 发送应答

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

其实发送应答的操作就是发送一个bit的操作而已：

2.6 接收应答

在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）

和发送应答类似，接收应答的操作也就是接收一个bit数据的操作。

3. I2C数据帧

3.1 发送一帧数据

其过程是（过程中的接收应答省略不写了）：

1. 发送一个开始信号
2. 发送从机地址（加上写入标记，最后一位为0）
3. 循环发送字节数据
4. 发送完后发送结束信号

3.2 接收一帧数据

过程和发送一帧数据的过程非常类似，只是中间的发送字节数据变成了接收字节数据，此外还有地址部分的最后一位为1，代表读取数据。

3.3 先发送后接收数据

4. AT24C02数据帧

AT24C02是使用I2C通讯协议进行通讯的，I2C数据帧相当于是一辆卡车，而AT24C02数据帧则是在原来卡车的基础上装上了特定货物的卡车。

4.1 字节写

在WORD ADDRESS处写入数据DATA

4.2 随机读

读出在WORD ADDRESS处的数据DATA

AT24C02的固定地址为1010，可配置地址本开发板上为000，所以SLAVE ADDRESS+W为0xA0，SLAVE ADDRESS+R为0xA1

四、代码实现

1. I2C模块

实现I2C模块，即实现上面介绍的6块拼图。

首先定义出SCL和SDA连接的引脚：

sbit I2C_SCL = P2 ^ 1;
sbit I2C_SDA = P2 ^ 0;

1.1 发送起始信息和发送终止信息

void I2C_Start() {
    I2C_SDA = 1;
    I2C_SCL = 1;
    // 在SCL为高电平拉低SDA
    I2C_SDA = 0;
    I2C_SCL = 0;
}

void I2C_Stop() {
    I2C_SDA = 0;
    // 在SCL为高电平时拉高SDA
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SDA = 1;
}

1.2 发送字节信息和接收字节信息

void I2C_SendByte(unsigned char byte) {
    unsigned char i = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 先将一个bit的数据写入到SDA中
        I2C_SDA = byte & (0x80 >> i);
        // SCL先拉高，后拉低，通知从机接收数据
        I2C_SCL = 1;
        I2C_SCL = 0;
    }
}

unsigned char I2C_ReceiveByte() {
    unsigned char byte = 0x00;
    unsigned char i;
    // 先释放SDA（将主动权交给从机）
    I2C_SDA = 1;

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 通知从机主机正在读取数据
        I2C_SCL = 1;
        // 如果是1则置一，否则默认为0
        if (I2C_SDA) {
            byte |= (0x80 >> i);
        }
        // 通知从机这个bit已经读取完毕，可以发送下一个bit
        I2C_SCL = 0;
    }
    return byte;
}

1.3 发送应答和接收应答

void I2C_SendAck(unsigned char AckBit) {
    I2C_SDA = AckBit;
    // SCL先拉高，后拉低，通知从机接收数据
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SCL = 0;
}

unsigned char I2C_ReceiveAck() {
    unsigned char AckBit;
    // 先释放SDA（将主动权交给从机）
    I2C_SDA = 1;
    // 通知从机主机正在读取数据
    I2C_SCL = 1;
    AckBit = I2C_SDA;
    // 通知从机这个bit已经读取完毕
    I2C_SCL = 0;
    return AckBit;
}

2. AT24C02模块

这个模块依赖于I2C模块，即利用I2C发送和接收数据。

首先定义从机地址：

// 最后一位为0代表写，即发送数据，为1代表读，即接受数据
#define AT24C02_ADDRESS 0xA0

2.1 字节写

前面已经提到，AT24C02可以存储256个字节的数据，因此我们的数据可以任意0~255号地址的空间进行存储：

void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Byte) {
    I2C_Start();
    // 从机地址
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
    I2C_ReceiveAck();
    // 字地址
    I2C_SendByte(WordAddress);
    I2C_ReceiveAck();
    // 发送真正的数据
    I2C_SendByte(Byte);
    I2C_ReceiveAck();

    I2C_Stop();
}

2.2 随机读

读取WordAddress地址中存储的字节信息：

unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress) {
    unsigned char Byte;
    I2C_Start();
    // 从机地址
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
    I2C_ReceiveAck();
    // 字地址
    I2C_SendByte(WordAddress);
    I2C_ReceiveAck();

    I2C_Start();
    // 从机地址，read模式
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS|0x01);
    I2C_ReceiveAck();
    // 读取信息
    Byte = I2C_ReceiveByte();
    I2C_SendAck(1);

    I2C_Stop();
    return Byte;
}

3. 使用AT24C02进行数据存储

我们使用LCD_1602进行显示，第二行显示num数字，当我们单击按钮时：

• 点击k1，num--
• 点击k2，num++
• 点击k3，将num的数据存储到AT24C02中地址为1的空间中

void main() {
    unsigned char key, num;
    unsigned char storageData;
    LCD_Init();
    LCD_ShowString(1, 1, "Hello world");
    LCD_ShowString(2, 1, "num:");
    storageData = AT24C02_ReadByte(1);
    num = storageData;
    LCD_ShowNum(2, 5, storageData, 3);

    Timer0_Init();

    while (1) {
        key = Key();
        if (key) {
            switch (key) {
                case 1:
                    num--;
                    break;
                case 2:
                    num++;
                    break;
                case 3:
                    AT24C02_WriteByte(1, num);
                    break;
            }
        }
        LCD_ShowNum(2, 5, num, 3);
    }
}

void Timer0_Routine() interrupt 1 {
    static unsigned int T0Count..;
    TL0 = 0x18;//设置定时初值
    TH0 = 0xFC;//设置定时初值
    T0Count++;
    if (T0Count >= 20) {
        T0Count = 0;
        Key_Loop();//每20ms调用一次按键驱动函数
    }
}

这样我们每次重启时就可以看到上次存储的数字了。