I2C总线与EEPROM
I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，多用于连接微处理器及其外围设备。I2C总线的主要特点是接口方式简单，两条线可以挂多个参与通信的器件，即多机模式，而且任何一个器件都可以作为主机，当然同一时刻只能一个主机。
从原理上来讲，UART属于异步通信，比如电脑发送给单片机，电脑只负责把数据通过TXD发送出来即可，接收数据是单片机自己的事情。而I2C属于同步通信，SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线负责传输数据。I2C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。
从应用上来讲，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，比如单片机和我们本章要学的EEPROM之间的通信。
1、I2C时序初步认识
在硬件上，I2C总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成，连接到总线上的所有的器件的SCL都连到一起，所有的SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构，因此我们外部要添加上拉电阻。对于开漏电路外部加上拉电阻的话，那就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系，那所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平。而任意一个器件输出一个低电平，那这条线就会保持低电平，因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平，也就是任何一个器件都可以作为主机，如图1所示，我们添加了R63和R64两个上拉电阻。
图1 I2C总线的上拉电阻
虽然说任何一个设备都可以作为主机，但绝大多数情况下我们都是用微处理器，也就是我们的单片机来做主机，而总线上挂的多个器件，每一个都像电话机一样有自己唯一的地址，在信息传输的过程中，通过这唯一的地址可以正常识别到属于自己的信息，在我们的KST-51开发板上，就挂接了2个I2C设备，一个是24C02，一个是PCF8591。
我们在学习UART串行通信的时候，知道了我们的通信流程分为起始位、数据位、停止位这三部分，同理在I2C中也有起始信号、数据传输和停止信号，如图2所示。
图2 I2C时序流程图
从图上可以看出来，I2C和UART时序流程有相似性，也有一定的区别。UART每个字节中，都有一个起始位，8个数据位和1位停止位。而I2C分为起始信号，数据传输部分，最后是停止信号。其中数据传输部分，可以一次通信过程传输很多个字节，字节数是不受限制的，而每个字节的数据最后也跟了一位，这一位叫做应答位，通常用ACK表示，有点类似于UART的停止位。
下面我们一部分一部分的把I2C通信时序进行剖析。之前我们学过了UART，所以学习I2C的过程我尽量拿UART来作为对比，这样有助于更好的理解。但是有一点大家要理解清楚，就是UART通信虽然我们用了TXD和RXD两根线，但是实际一次通信，1条线就可以完成，2条线是把发送和接收分开而已，而I2C每次通信，不管是发送还是接收，必须2条线都参与工作才能完成，为了更方便的看出来每一位的传输流程，我们把图2改进成图3。
图3 I2C通信流程解析
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14-3中的start部分所示。
数据传输：首先，UART是低位在前，高位在后；而I2C通信是高位在前，低位在后。第二，UART通信数据位是固定长度，波特率分之一，一位一位固定时间发送完毕就可以了。而I2C没有固定波特率，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；而当SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，因为这个时候，接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1，因此要保证SDA的稳定不变化，如图14-3中的每一位数据的变化，都是在SCL的低电平位置。8为数据位后边跟着的是一位响应位，响应位我们后边还要具体介绍。
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14-3中的stop部分所示。
2、I2C寻址模式
上面介绍的是I2C每一位信号的时序流程，而I2C通信在字节级的传输中，也有固定的时序要求。I2C通信的起始信号(Start)后，首先要发送一个从机的地址，这个地址一共有7位，紧跟着的第8位是数据方向位(R/W)，‘0’表示接下来要发送数据(写)，‘1’表示接下来是请求数据(读)。
我们知道，打电话的时候，当拨通电话，接听方捡起电话肯定要回一个“喂”，这就是告诉拨电话的人，这边有人了。同理，这个第九位ACK实际上起到的就是这样一个作用。当我们发送完了这7位地址和1位方向位，如果我们发送的这个地址确实存在，那么这个地址的器件应该回应一个ACK‘0’，如果不存在，就没“人”回应ACK。
那我们写一个简单的程序，访问一下我们板子上的EEPROM的地址，另外在写一个不存在的地址，看看他们是否能回一个ACK，来了解和确认一下这个问题。
我们板子上的EEPROM器件型号是24C02，在24C02的数据手册3.6部分说明了，24C02的7位地址中，其中高4位是固定的1010，而低3位的地址取决于我们电路的设计,由芯片上的A2、A1、A0这3个引脚的实际电平决定，来看一下我们的24C02的电路图，如图4所示。
图4 24C02原理图
从图4可以看出来，我们的A2、A1、A0都是接的GND，也就是说都是0，因此我们的7位地址实际上是二进制的1010000，也就是0x50。我们用I2C的协议来寻址0x50，另外再寻址一个不存在的地址0x62，寻址完毕后，把返回的ACK显示到我们的1602液晶上，大家对比一下。
/***********************lcd1602.c文件程序源代码*************************/
#include <reg52.h>
#define LCD1602_DB P0
sbit LCD1602_RS = P1^0;
sbit LCD1602_RW = P1^1;
sbit LCD1602_E = P1^5;
void LcdWaitReady() //等待液晶准备好
{
unsigned char sta;
LCD1602_DB = 0xFF;
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 1;
do
{
LCD1602_E = 1;
sta = LCD1602_DB; //读取状态字
LCD1602_E = 0;
} while (sta & 0x80); //bit7等于1表示液晶正忙，重复检测直到其等于0为止
}
void LcdWriteCmd(unsigned char cmd) //写入命令函数
{
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = cmd;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
void LcdWriteDat(unsigned char dat) //写入数据函数
{
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 1;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = dat;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str) //显示字符串，屏幕起始坐标(x,y)，字符串指针str
{
unsigned char addr;
//由输入的显示坐标计算显示RAM的地址
if (y == 0)
addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从0x00起始
else
addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从0x40起始
//由起始显示RAM地址连续写入字符串
LcdWriteCmd(addr | 0x80); //写入起始地址
while (*str != '\0') //连续写入字符串数据，直到检测到结束符
{
LcdWriteDat(*str);
str++;
}
}
void LcdInit() //液晶初始化函数
{
LcdWriteCmd(0x38); //16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
LcdWriteCmd(0x0C); //显示器开，光标关闭
LcdWriteCmd(0x06); //文字不动，地址自动+1
LcdWriteCmd(0x01); //清屏
}
/*************************main.c文件程序源代码**************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define I2CDelay() {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
sbit I2C_SCL = P3^7;
sbit I2C_SDA = P3^6;
bit I2CAddressing(unsigned char addr);
extern void LcdInit();
extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);
void main ()
{
bit ack;
unsigned char str[10];
LcdInit(); //初始化液晶
ack = I2CAddressing(0x50); //查询地址为0x50的器件
str[0] = '5'; //将地址和应答值转换为字符串
str[1] = '0';
str[2] = ':';
str[3] = (unsigned char)ack + '0';
str[4] = '\0';
LcdShowStr(0, 0, str); //显示到液晶上
ack = I2CAddressing(0x62); //查询地址为0x62的器件
str[0] = '6'; //将地址和应答值转换为字符串
str[1] = '2';
str[2] = ':';
str[3] = (unsigned char)ack + '0';
str[4] = '\0';
LcdShowStr(8, 0, str); //显示到液晶上
while(1)
{}
}
void I2CStart() //产生总线起始信号
{
I2C_SDA = 1; //首先确保SDA、SCL都是高电平
I2C_SCL = 1;
I2CDelay();
I2C_SDA = 0; //先拉低SDA
I2CDelay();
I2C_SCL = 0; //再拉低SCL
}
void I2CStop() //产生总线停止信号
{
I2C_SCL = 0; //首先确保SDA、SCL都是低电平
I2C_SDA = 0;
I2CDelay();
I2C_SCL = 1; //先拉高SCL
I2CDelay();
I2C_SDA = 1; //再拉高SDA
I2CDelay();
}
bit I2CWrite(unsigned char dat) //I2C总线写操作，待写入字节dat，返回值为从机应答位的值
{
bit ack; //用于暂存应答位的值
unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量
for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
{
if ((mask&dat) == 0) //该位的值输出到SDA上
I2C_SDA = 0;
else
I2C_SDA = 1;
I2CDelay();
I2C_SCL = 1; //拉高SCL
I2CDelay();
I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，完成一个位周期
}
I2C_SDA = 1; //8位数据发送完后，主机释放SDA，以检测从机应答
I2CDelay();
I2C_SCL = 1; //拉高SCL
I2CDelay();
ack = I2C_SDA; //读取此时的SDA值，即为从机的应答值
I2C_SCL = 0; //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线
return ack; //返回从机应答值
}
bit I2CAddressing(unsigned char addr) //I2C寻址函数，即检查地址为addr的器件是否存在，返回值为其应答值，即应答则表示存在，非应答则表示不存在
{
bit ack;
I2CStart(); //产生起始位，即启动一次总线操作
ack = I2CWrite(addr<<1); //器件地址需左移一位，因寻址命令的最低位为读写位，用于表示之后的操作是读或写
I2CStop(); //不需进行后续读写，而直接停止本次总线操作
return ack;
}
我们把这个程序在KST-51开发板上运行完毕，会在液晶上边显示出来我们预想的结果，主机发送一个存在的从机地址，从机会回复一个应答位；主机如果发送一个不存在的从机地址，就没有从机应答。
前边我有提到过有一个利用库函数_nop_()来进行精确延时，一个_nop_()的时间就是一个机器周期，这个库函数是包含在了intrins.h这个库文件中，我们如果要使用这个库函数，只需要在程序最开始，和包含reg52.h一样，include<intrins.h>之后，我们程序就可以直接使用这个库函数了。
还有一点要提一下，I2C通信分为低速模式100kbit/s，快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。因为所有的I2C器件都支持低速，但却未必支持另外两种速度，所以作为通用的I2C程序我们选择100k这个速率来实现，也就是说实际程序产生的时序必须小于等于100k的时序参数，很明显也就是要求SCL的高低电平持续时间都不短于5us，因此我们在时序函数中通过插入I2CDelay()这个总线延时函数（它实际上就是4个NOP指令，用define在文件开头做了定义），加上改变SCL值语句本身占用的至少一个周期，来达到这个速度限制。如果以后需要提高速度，那么只需要减小这里的总线延时时间即可。
此外我们要学习一个发送数据的技巧，就是I2C通信时如何将一个字节的数据发送出去。大家注意写函数中，我用的那个for循环的技巧。for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1)，由于I2C通信是从高位开始发送数据，所以我们先从最高位开始，0x80和dat进行按位与运算，从而得知dat第7位是0还是1，然后右移一位，也就是变成了用0x40和dat按位与运算，得到第6位是0还是1，一直到第0位结束，最终通过if语句，把dat的8位数据依次发送了出去。其他的逻辑大家对照前边讲到的理论知识，认真研究明白就可以了。
编辑：admin 最后修改时间：2018-05-08
