第九章 AT24C02存储模块

9.1  IIC通讯协议的分析

一、简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由NXP（原PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

PS： 这里要注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI

IIC一共有只有两个总线： 一条是双向的串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ

SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的

SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序的

二、主要特性

• 通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（即控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。
• IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
• IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
• IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)， 其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
• 支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）
• SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。
• IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信
• 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。这一点在等下我们会讲解

三、硬件结构

总线结构

IIC使用两根信号线进行通信，要求两根线都使用 开漏输出接上拉电阻 的配置，以此实现总线上所有节点SDA、SCL信号的 线与 逻辑关系。
R_p电阻的取值有一定的要求，太小会导致灌入电流过大，使’低’数据不稳定，甚至损坏端口；太大会导致信号上升缓慢，使得数据传输出错。在不同应用场景及供电电压下有不同的取值要求。

IIC的高阻态

漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻

高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态。逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路。电路分析时高阻态可做开路理解。

我们知道IIC的所有设备是接在一根总线上的，那么我们进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那么这时候其余的空闲设备可能会受到总线干扰，或者干扰到总线，怎么办呢？

为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉， 而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路， 整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

IIC器件地址

每一个IIC器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设定好了，用户不可以更改,比如OV7670的地址为0x42。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定为1010，后三个地址是由硬件链接确定的，所以一IIC总线最多能连8个EEPROM芯片。

四、工作时序

1.空闲状态

void IIC_init()       //IIC初始化
{
       SCL=1; //首先把时钟线拉高
       delay_us(4);//延时函数
       SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高
       delay_us(4); //延时函数
}

2.开始和结束信号

开始信号（START/S）： SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时(>4.7us)，SCL变为低电平。

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA，再拉高SCL，空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start()         //启动信号
{
       SDA=1; //确保SDA线为高电平
       delay_us(5);
       SCL=1;  //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线，即为起始信号
       delay_us(5);
       SCL=0;   //钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}

结束信号（STOP/P）  ：SCL保持高电平。SDA由低电平变为高电平。

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA，再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时，数据由低变高
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。

 

3.应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

• 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
• 应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

4.数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

SCL=1 时 数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

每发送一个字节（8个bit）在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

主机发送数据，从机接收时，ACK信号由从机发出。当在SCL第9位时钟高电平信号期间，如果SDA仍然保持高电平，则主机可以直接产生STOP条件终止以后的传输或者继续ReSTART开始一个新的传输
从机发送数据，主机读取数据时，ACK信号由主机给出。主机响应ACK表示还需要再接收数据，而当主机接收完想要的数据后，通过发送NACK告诉从机读取数据结束、释放总线。随后主机发送STOP命令，将总线释放，结束读操作。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答

//主机产生应答信号ACK
//1.先拉低SCL，再拉低SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL## 标题
void I2C_Ack(void)
{
   IIC_SCL=0;   //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   IIC_SDA=0;   
   delay_us(2);
   IIC_SCL=1;
   delay_us(5);
   IIC_SCL=0;
}
//主机不产生应答信号NACK
//1.先拉低SCL，再拉高SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL
void I2C_NAck(void)
{
   IIC_SCL=0;   //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   IIC_SDA=1;   //拉高SDA，不产生应答信号
   delay_us(2);
   IIC_SCL=1;
   delay_us(5);
   IIC_SCL=0;
}

等待应答信号：

//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
char IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(IIC_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	   
	return 0;  
}

4. 字节格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

5. 7-bit 设备的数据传输

一个完整的7-bit通信过程如图所示：

在START信号后八位设备地址=7位从机地址+读/写地址，结构如下图：

再给地址添加一个方向位位用来表示接下来数据传输的方向，

• 0表示主设备向从设备(write)写数据，
• 1表示主设备向从设备(read)读数据

发送完这个字节之后，主机释放SDA总线等待从机给出ACK应答。如果从机给出了ACK应答，表示从机地址正确（有从机响应）并且已知晓是读还是写，便可以开始读写数据。如果从机没有给出ACK应答，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或是设备正在忙碌）或无法解析收到的数据，如果是这样，则由主机来决定如何处理（STOP或ReSTART）。

IIC发送一个字节数据：

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答            
//IIC_SCL=0;
//在SCL上升沿时准备好数据，进行传送数据时，拉高拉低SDA，因为传输一个字节，一个SCL脉冲里传输一个位。
//数据传输过程中，数据传输保持稳定（在SCL高电平期间，SDA一直保持稳定，没有跳变）
//只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变
//总结：在SCL为高电平期间，发送数据，发送8次数据，数据为1,SDA被拉高，数据为0，SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定，所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();         
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        //IIC_SDA=txd&0x80;   //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后数据左移一位
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
        if(txd&0x80)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;       
        delay_us(2);   
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }     
}       
或者：
        //IIC_SDA=txd&0x80;   //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后右移7位,假设为 1000 0000 右移7位为 0000 0001 
        // 假设为 0000 0000 右移7位为 0000 0000 
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
        IIC_SDA=((txd&0x80)>>7);
        txd<<=1;

IIC读取一个字节数据：

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();        //SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();        //发送nACK
    else
        IIC_Ack();         //发送ACK   
    return receive;
}

6.主机写-从机收，传输方向不变

主机对从机发送数据时，主机对从机发送一个开始字节，然后即可一直发送数据。以示例来讲解，其第一帧数据为要操作的寄存器地址，所以为：“[1-Byte]开始字节(写) + [1-Byte]寄存器地址 + [1-Byte]寄存器数据”。

主机要向从机写数据时：

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方 向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)
3. 主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器
4. 这时候主机等待从机的应答信号(A)
5. 当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址， 继续等待从机的应答信号
6. 当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号，
7. 主机产生停止信号，结束传送过程。

7.主机读-从机发，传输方向改变

主机对向从机读取数据时，方式同发送数据有所不同，要多一次通信过程。
主机需要先向从机发送一次信号，告诉从机”我要读取数据“，然后重开一次通信，等待从机主动返回数据。以示例来讲解，发送 “[1-Byte]开始字节(写) + [1-Byte]要读取的寄存器的地址”，之后结束通信，或者重开始，来进入到第二次通信中，先发送 [1-Byte]开始字节(读)，然后等待读取从机发送过来的 [1-Byte]数据 即可。

主机要从从机读数据时

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，
3. 这时候主机等待从机的应答信号(ACK)
4. 当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，
5. 当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设 置成接收模式开始读取数据，
6. 这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据
7. 主机进而产生停止信号，结束传送过程。

9.2 以AT24C02为例子说明

下面是向0x13位置读数据：0x13

24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。

A0,A1,A2：硬件地址引脚
WP：写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写
SCL和SDA：IIC总线

芯片的寻址：
AT24C设备地址为如下，前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。A2~A0为000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。也就是说如果是
写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

片内地址寻址：

芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。

向AT24C02中写数据：

1.MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
2.接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
3.等待应答信号(ACK)
4.发送数据的存储地址。24C02一共有256个字节的存储空间，地址从0x00~0xFF，想把数据存储在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。
5.发送要存储的数据第一字节、第二字节、…注意在写数据的过程中，E2PROM每个字节都会回应一个“应答位0”，告诉我们写E2PROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。
6.发送结束信号（STOP）停止总线

注意：
在写数据的过程中，每成功写入一个字节，E2PROM存储空间的地址就会自动加1，当加到0xFF后，再写一个字节，地址就会溢出又变成0x00。

写数据的时候需要注意，E2PROM是先写到缓冲区，然后再“搬运到”到掉电非易失区。所以这个过程需要一定的时间，AT24C02这个过程是不超过5ms！
所以，当我们在写多个字节时，写入一个字节之后，再写入下一个字节之前，必须延时5ms才可以。

从AT24C02中读数据：

1.当前地址读

1.MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
2.接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)
  注意：这里写操作是为了要把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉E2PROM要读取哪个地址的数据。
3.发送要读取内存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM读取要哪个地址的信息。
4.重新发送开始信号(START)
5.发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)
6.E2PROM会自动向主机发送数据，主机读取从器件发回的数据，在读一个字节后，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据
7.如果不想读了，告诉E2PROM不想要数据了，就发送一个“非应答位NAK(1)”。发送结束信号（STOP）停止总线

/****
*******向AT24C02的地址address中写入一个字节的数据info
*****/
void At24c02_Write_Add(uchar address,uchar info)
{
    At24c02_Start(); 
    At24c02_Writex(0xa0);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(address);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(info);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Stop();
    At24c02_Delay(50);
}
/****
*******从AT24C02的地址address中读取一个字节的数据
*****/
uchar At24c02_Read_Add(uchar address)
{
    uchar i;
    At24c02_Start(); 
    At24c02_Writex(0xa0);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(address);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Start();
    At24c02_Writex(0xa1); 
    At24c02_Clock();
    i=At24c02_Readx();
    At24c02_Stop();
    At24c02_Delay(1);
    return(i);
}

9.3 AT24C02驱动程序

/**********************************
包含头文件
**********************************/
#include "at24c02.h"
/****************************************************
* 函 数 名       : delay_10us
* 函数功能		 : 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
* 输    入       : ten_us
* 输    出    	 : 无
****************************************************/
void At24c02_Delay(uint ten_us)
{
  while(ten_us--);	
}
/****
*******总线初始化,拉高释放总线函数
*****/
void At24c02_Init(void)
{
    AT24C02_SCL=1; 
    At24c02_Delay(1); 
    AT24C02_SDA=1; 
    At24c02_Delay(1);
}
/****
*******当SCL为高电平时，SDA由高变为低
*****/
void At24c02_Start(void)
{
    AT24C02_SDA=0;	//发送起始信号
    At24c02_Delay(1); 
    AT24C02_SCL=0;	//钳住IIC总线，准备发送或接收数据 
    At24c02_Delay(1);
}

/****
*******当SCL为高电平时，SDA由低变为高
*****/
void At24c02_Stop(void)
{
    AT24C02_SDA=0;	//发送结束条件的数据信号 
    At24c02_Delay(1); 
    AT24C02_SCL=1;	//发送结束条件的时钟信号 
    At24c02_Delay(1); 
    AT24C02_SDA=1;	//发送结束信号 
    At24c02_Delay(1);
}
/****
*******等待应答信号
*****/
void At24c02_Clock(void)
{
    uchar i=0;
    AT24C02_SCL=1;
    At24c02_Delay(1);
    while((AT24C02_SDA==1)&&(i<255))
        i++;
    AT24C02_SCL=0; 
    At24c02_Delay(1);
}
/****
*******写一个字节
*****/
void At24c02_Writex(uchar temp)
{  
    uchar i;
    AT24C02_SCL=0; 
    for (i=0;i<8;i++)
    {
      if((temp&0x80)>0) 
        IIC_SDA=1;
      else
        IIC_SDA=0;
      temp<<=1; 
      AT24C02_SCL=1; 
      At24c02_Delay(1); 
      AT24C02_SCL=0; 
      At24c02_Delay(1);
    }
}
/****
*******读取一个字节
*****/
uchar At24c02_Readx(void)
{
    uchar i,j,k=0;
    AT24C02_SCL=0; 
    At24c02_Delay(1); 
    AT24C02_SDA=1;
    for (i=0;i<8;i++)
    {  
        AT24C02_SCL=0;
        At24c02_Delay(1); 
        AT24C02_SCL=1; 
        At24c02_Delay(1);
        if (AT24C02_SDA==1) 
            j=1;
        else 
            j=0;
        k=(k<<1)|j;		//将8个独立的位放在一个字节中
    }
    At24c02_Delay(1); 
    return(k);
}
/****
*******向AT24C02的地址address中写入一个字节的数据info
*****/
void At24c02_Write_Add(uchar address,uchar info)
{
    At24c02_Start(); 
    At24c02_Writex(0xa0);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(address);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(info);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Stop();
    At24c02_Delay(50);
}
/****
*******从AT24C02的地址address中读取一个字节的数据
*****/
uchar At24c02_Read_Add(uchar address)
{
    uchar i;
    At24c02_Start(); 
    At24c02_Writex(0xa0);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Writex(address);
    At24c02_Clock(); 
    At24c02_Start();
    At24c02_Writex(0xa1); 
    At24c02_Clock();
    i=At24c02_Readx();
    At24c02_Stop();
    At24c02_Delay(1);
    return(i);
}