51单片机实战指南-I2C总线接口设计

I2C总线接口设计51单片机实战指南本章内容：2I2C总线概述1单片机与EEPROM编程实例29.1.1I2C总线认识与UART的比较UART属于异步通信，通信双方没有同一个时钟信号。而I2C是一种双向二线制同步串行总线，属于同步通信。UART通信多用于板间通信，比如单片机和电脑，这个设备和另外一个设备之间的通信。而I2C多用于板内通信。有2根接口线一根是串行时钟线SCL，负责收发双方的时钟节拍；另一根是串行数据线SDA，负责传输数据。器件挂在总线上，每个器件都有唯一的地址，器件和器件之间均可进行信息传送。支持多主和主从两种方式，通常为主从工作方式；在主从方式中，主器件启动数据发送，产生时钟信号，发出停止信号；9.1.2I2C总线硬件结构图SCL和SDA均需接上拉电阻，开发板上接的是4.7kΩ的上拉电阻。总线在空闲的时候保持高电平；连接到总线上的任一器件输出低电平，都将使总线的信号拉低，相当于“线与”的关系。（数字电路中门电路知识）9.1.3I2C总线时序I2C总线在数据传输时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线为低电平期间，数据线上的电平状态才允许变化。由起始信号、终止信号、应答信号、以及有效数据字节构成。起始和终止信号都由主控制器发出，起始信号后，总线就处于被占用的状态；当终止信号出现后，总线才重新处于空闲状态。9.1.3I2C总线时序1.发送起始信号UART通信是从一直持续的高电平出现一个低电平标志起始位；而I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿，表示起始信号，如图8-2中的Start部分所示。9.1.3I2C总线时序2.发送地址信号高7位为地址位，器件地址码高4位（D7~D4）为AAAA，是器件的类型，具有固定的定义，如EERROM为1010。中间的3位（D3~D1）为BBB，是片选信号，同类型的器件最多可以在I2C总线上挂载8个。最后一位D0位为读写控制位。位D7D6D5D4D3D2D1D0说明AAAABBB9.1.3I2C总线时序3.发送应答信号I2C总线协议规定，每传送一个字节数据（含地址和命令字）后，都要有一个应答信号，以确定传输数据是否被对方收到。应答信号由接收设备产生，在SCL的高电平期间，接收设备将SDA拉为低电平，表示数据传输成功。9.1.3I2C总线时序4.数据传输I2C没有固定波特率（UART有），但是有时序的要求，要求当SCL在低电平的时候，SDA允许变化，也就是说，发送方必须先保持SCL是低电平，才可以改变数据线SDA，输出要发送的当前数据的一位。9.1.3I2C总线时序5.发送非应答信号当主机为接收设备时，主机对最后一个字节不应答（不拉低SDA），以向发送设备表示数据传送结束。9.1.3I2C总线时序6.发送停止信号UART通信的停止位是一位固定的高电平信号；而I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿，表示结束信号，如图8-2中的Stop部分所示。9.1.3I2C总线时序总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：1)主机向从机发送数据，数据传输方向在整个传输过程中不变；2)主机在发送第一个字节后，立即从从机读数据。3)在传送过程中，当需要改变传输方向时，需将起始信号和从机地址各重复一次，而两次读/写方向位相反。9.1.3I2C总线时序9.1.3I2C总线时序这里先定义了一个延时约4μs的宏I2cDelay()，代码如下：#defineI2cDelay(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}这里用到了库函数_nop_()，可以进行精确延时，1个_nop_()函数的执行时间为1个机器周期，这个库函数包含在intrins.h这个文件中，如果需要使用这个库函数，只需要在程序的最开始，加入#include<intrins.h>即可。、9.1.3I2C总线时序-产生起始信号在SCL时钟信号在高电平期间SDA信号产生一个下降沿，起始之后SDA和SCL都为0voidI2cStart(){ SDA=1;//首先保证SDA和SCL都是高电平 SCL=1; I2cDelay(); SDA=0; //先拉低SDA I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL I2cDelay(); }9.1.3I2C总线时序-产生停止信号在SCL时钟信号高电平期间SDA信号产生一个上升沿，结束之后保持SDA和SCL都为1，表示总线空闲。voidI2cStop(){ SDA=0; //首先保证SDA和SCL都是低电平 SCL=0; I2cDelay(); SCL=1; //先拉高SCL I2cDelay(); SDA=1; //再拉高SDA I2cDelay(); }9.1.3I2C总线时序-总线写操作bitI2cWriteByte(unsignedchardat){ unsignedchari=0; bitack; for(i=0;i<8;i++) //要发送8位，从最高位开始 { //起始信号之后SCL=0，所以可以直接改变SDA信号 SDA=dat>>7; dat=dat<<1; I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL，完成一个位周期 I2cDelay(); }9.1.3I2C总线时序-总线写操作

SDA=1;//8位数据发送完以后主机释放SDA，以检测从机应答 I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL ack=SDA; //读取此时的SDA值，即为从机的应答值 I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线 return~ack; //应答位取反以符合逻辑习惯，0：不存在

//或忙或失败，1：存在且空闲或写入成功} 9.1.3I2C总线时序-总线读操作unsignedcharI2cReadByte(bitACK){ unsignedchari=0,dat=0; SDA=1; //首先确保主机释放SDA I2cDelay(); for(i=0;i<8;i++) //从高位到低位接收8位 { SCL=1; I2cDelay(); dat<<=1; dat|=SDA; I2cDelay(); SCL=0; I2cDelay(); }9.1.3I2C总线时序-总线读操作

SDA=ack; //8位数据发送完以后,发送应答（ack为0）或非 //应答信号（ack为1） I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL完成应答或非应答位，并保持住总线 returndat;

}9.2

单片机与EEPROM编程实例开发板上使用的这个器件是ATMEL公司的ATC系列的EEPROM，主要型号有AT24C01/02/04/08/16等，后面两位数字的单位是Kbit，因此AT24C02，是一个容量大小为2Kbits，也就是256个字节的EEPROMAT24C02是一个基于I2C通信协议的器件，我们通过51单片机对I2C总线时序进行模拟后，就可以对EEPROM访问了。二者并没有必然的联系，EEPROM可以用其它接口，I2C也可以用在其它很多器件上。9.2.1

EEPROMAT24C02引脚与寻址介绍9.2.1

EEPROMAT24C02引脚与寻址介绍引脚名称引脚功能A2，A1，A0编程的地址输入端GND电源地SDA串行数据输入/输出端SCL串行时钟输入端WP写输入保护端，用于硬件数据保护。当其为低电平时，可以对整个存储器进行正常的读写操作；当其为高电平时，存储器具有写保护功能，但读操作不受影响。VCC电源正端9.2.1

EEPROMAT24C02引脚与寻址介绍3.存储器结构与寻址AT24C02的存储容量为2Kb，内部分成32页，每页8字节，共256字节，操作时有两种寻址方式：芯片寻址和片内存储单元寻址。1)芯片寻址AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010A2A1A0。其中A2，A1，A0为可编程的地址选择位，A2，A1，A0引脚接高、低电平后得到确定的三位编码，与1010组合成7位编码，即该器件的地址码。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。2)片内存储单元寻址芯片内可寻址内部256字节的任何一个进行读/写操作，其地址空间为00~FF。9.2.2读写操作时序-单字节写入1)首先是I2C的起始信号，接着跟上首字节，也就是我们前边讲的I2C的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。2)发送数据的存储地址。24C02一共256个字节的存储空间，地址从0x00～0xFF。3)发送要存储的8位数据。注意在写数据的过程中，EEPROM每个字节都会回应一个“应答位0”，来告诉我们写EEPROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。9.2.2读写操作时序-页写入方式页面写入与字节写入相同，但是单片机在第一个字节后不发送停止位。相反，在EEPROM确认收到第一个数据字后，单片机还可以发送多达7个字节（2401/2402）。每个数据字收到后，EEPROM会给出应答。若收到非应答，单片机必须终止页面写入。每成功写入一个字节，EEPROM存储空间的地址就会自动加1，故写入一页以为的数据字时，只需输入首地址。如果写到此页的最后一个地址，主器件再发送数据，数据会写入到该页的首地址，也就会覆盖掉原来的数据，这个现象称为“翻转”（RollOver）。解决“翻转”的方法是在写完8个字节数据后，将下一页的首地址重新写到总线上。9.2.2读写操作时序-指定地址读1)首先是I2C的起始信号，接着跟上首字节，也就是我们前边讲的I2C的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。注意，这一步依然是“写”，我们选择写操作，是为了把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉EEPROM我们要读取哪个地址的数据。2)发送要读取的数据的地址，注意是地址而非存在EEPROM中的数据。3)重新发送I2C起始信号和器件地址，并且在方向位选择“读”操作。前三步中，每一个字节实际上都是在“写”，所以每一个字节EEPROM都会回应一个“应答位0”。4)读取从器件发回的数据，读一个字节，并发送非应答位ACK（1）9.2.3.单字节读写实战开发板上单片机与AT24C02硬件连接如图9-9所示，其中A2，A1，A0与WP都接地，SDA接单片机P3.6引脚，SCL接单片机P3.7引脚，SDA与SCL分别于Vcc之间接一4.7kΩ的上拉电阻，因为AT24C02总线内部是漏极开漏形式，不接上拉电阻无法确定总线空闲时的电平状态。其中SDA接单片机P3.6引脚，SCL接P3.7引脚9.2.3.单字节读写实战【例9.2.1】通过串口向单片机发送1位十进制数据（0-9），单片机接收到以后显示在数码上，并加1后回传到电脑端串口调试助手，同时保存在中，这样下次开机后，单片机从出最后一次保存在AT24C02中的数据，并显示在数码管上。其中SDA接单片机P3.6引脚，SCL接P3.7引脚9.2.3.单字节读写实战遵循模块化编程的原则，考虑到I2C接口还要和A/D和D/A转换器PCF8591通信，我们没有把EEPROM的读写函数一起放入i2c.c文件中，而是单独写了一个EEPROM.c文件，包括它的头文件EEPROM.h文件。封装了2个函数：向AT24c02的一个地址写入一个数据voidAt24c02WriteByte(unsignedcharaddr,unsignedchardat)读取AT24c02的一个地址的一个数据*unsignedcharAt24c02ReadByte(unsignedcharaddr)9.2.3.单字节读写实战/*向AT24c02的一个地址写入一个数据*/voidAt24c02WriteByte(unsignedcharaddr,unsignedchardat){ I2cStart(); I2cWriteByte(0xA0);

//发送写器件地址 I2cWriteByte(addr);

//发送要写入内存地址 I2cWriteByte(dat);

//发送数据 I2cStop();}9.2.3.单字节读写实战/*读取AT24c02的一个地址的一个数据*/unsignedcharAt24c02ReadByte(unsignedcharaddr){ unsignedcharnum; I2cStart(); I2cWriteByte(0xA0);

//发送写器件地址 I2cWriteByte(addr);

//发送要读取的地址 I2cStart(); I2cWriteByte(0xA1);

//发送读器件地址 num=I2cReadByte(1);

//读取数据，发送非应答信号 I2cStop(); returnnum; }9