前言
在单片机应用系统中，串行通信总线技术是非常重要的通信手段。常用的串行总线通信方式包括异步串行通信 UART 、 I2C （Inter IC BUS）、单总线(One WIRE BUS)以及 SPI 总线（Serial Peripheral Interface BUS）等。单片机的串口通信为 UART 的一种，DS18B20 的通信方式为单总线。采用 I2C 总线通信方式的常用器件包括 E2PROM 存储器件 AT24C256 ，这章内容主要讲解 I2C
总线通信工作原理并结合 AT24C256 进行应用试验。
15.1 I2C 总线通信原理
I2C (Inter-Integrated Circuit)总线是由 PHILIPS 公司开发的两线式串行通信总线，由于连接主机以及外围设备。两根数据线一个为时钟线 SCL，另一根为数据线 SDA，可实现数据的发送或接收。通常将 I2C 通信速率分为：低速模式 100Kbit/s、快速模式 400Kbit/s 以及高速模式 3.4Mbit/s， I2C 器件为向下兼容模式，一般所有 I2C 器件均支持低速模式。 I2C 通信器件典型电路如下图所示：
图 15-1 I2C 器件典型应用原理图
如上图所示，在 I2C 总线上挂载多个外围器件，总线与电源之间配置了上拉电阻，使所有器件之间形成了"线与"的逻辑关系，任何一个器件将总线拉低，总线将保持低电平，因此任意一个器件都可以当成主设备或者从设备。
I2C 通信最底层的时序操作包涵四种类型的信号，所有基于 I2C 总线的外围器件都是在这五种底层信号的基础上进行数据的读写，这五种信号分别是：
- 起始信号；
- 停止信号；
- 写字节信号；
- 读字节并发送应答信号；
- 读字节并发送非应答信号。
15.1.1 I2C 通信起始、停止信号
起始信号，功能为通知 I2C 器件可以开始进行数据操作，操作时序为：当 SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变。停止信号，功能为通知 I2C 器件数据操作已结束，操作时序为：当 SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变。时序如下图所示：
图 15-2 I2C 起始信号、停止信号时序
I2C 起始信号 Start_I2C (void)、停止信号 Stop_I2C (void)时序，C 语言函数如下图所示：
sbit SCL_I2C = P0^1;// 总线管脚定义
sbit SDA_I2C = P0^2;
void Delay_I2C(void)
{// 延时函数，设置传输速率
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
// 总线起始信号
void Start_I2C(void)
{
//SCL 高电平期间，拉低 SDA
SCL_I2C = 0;
SDA _I2C = 1;// 在 SCL 低电平期间先将 SDA 拉高，为起始信号做准备
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
Delay_I2C();
SDA_I2C = 0;// 拉低 SDA，发送起始信号
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
}
// 总线停止信号
void Stop_I2C(void)
{
//SCL 高电平期间，拉高 SDA
SCL_I2C = 0;
SDA _I2C = 0;// 在 SCL 低电平期间先将 SDA 拉低，为停止信号做准备
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
Delay_I2C();
SDA_I2C = 1;// 拉高 SDA，发送停止信号
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
}
图 15-3 I2C 起始信号、停止信号 C 语言函数代码
15.1.2 I2C 写字节信号
I2C 写字节信号，功能为向总线写入 1 字节的数据，操作时序下图所示：
图 15-4 I2C 写字节信号时序
在写入数据的过程中，数据顺序为从高位到低位，最先写入的数据为 bit7，依次到 bit0 共 8 位数据。如果接收器件收到了上述 1 字节的数据，会在 SCL 的第 9 个周期的高电平期间将 SDA 拉低为 "0"，这个第 9 位数据称为应答位 ACK，作用为通知主机已经收到了 1 字节的数据。因此，在主机程序中通过 ACK 位判断 1 字节数据是否写入成功。在写数据的过程中要求，数据在 SCL 高电平期间要保持 SDA 数据稳定，在 SCL 低电平期间， SDA 可由高电平变为低电平或者低电平变为高电平，如下图所示。
图 15-5 I2C 数据有效性时序规定
I2C 写字节信号 Wr_I2C (unsigned char dat)， C 语言函数代码如下图所示：
// I2C 写入字节 dat,返回应答信号
bit Wr_I2C(unsigned char dat) {
// 存储应答位
bit ack;
// 探测字节内某一位值的掩码变量
unsigned char mask;
// 从高位依次到低位
for (mask=0x80;mask!=0;mask>>=1) {
if ((mask & dat)==0) {
SDA_I2C=0;
} else {
SDA_I2C=1;
}
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
Delay_I2C();
// 完成一位的传送
SCL_I2C = 0;
}
// 主机释放总线
SDA_I2C=1;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
// 获取应答位
ack = SDA_I2C;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
// 返回0写入成功，返回1写入失败
return ack;
}
图 15-6 I2C 写字节信号 C 语言函数代码
15.1.3 I2C 读字节并发送应答信号
I2C 读字节并发送应答信号时序与图 15-4 基本相同，只不过 bit7-bit0 由 I2C 从器件给出，在 SCL 高电平期间主机将数据读取，第 9 位应答信号 ACK 由主机给出， ACK 为 "0" 表示主机后续还要继续读取数据，为 "1" 时主机不再读取后续数据，可以结束通信。C 语言函数如下图所示：
//I2C 读操作,并发送应答信号
unsigned char RdACK_I2C(void) {
// 探测字节内某一位值的掩码变量
unsigned char mask;
unsigned char dat;
// 确保主机释放 SDA
SDA_I2C=1;
// 从高位依次到低位
for (mask=0x80;mask!=0;mask>>=1) {
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
if (SDA_I2C==0) {
// 为0时， dat 对应位清零
dat &= ~mask;
} else {
// 否则置1
dat |= mask;
}
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
}
// 8 位数据传送完后，拉低 SDA 发送应答信号
SDA _I2C=0;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
return dat;
}
图 15-7 I2C 读字节并发送应答信号函数
15.1.4 I2C 读字节并发送非应答信号
与读字节并发送应答信号相同，唯一的区别为主机发出非应答信号，即 ACK=1，主机不再读取后续数据，可以结束通信。C 语言函数如下图所示：
//I2C 读操作,并发送非应答信号
unsigned char RdNAK_I2C(void) {
// 探测字节内某一位值的掩码变量
unsigned char mask;
unsigned char dat;
// 确保主机释放 SDA
SDA_I2C=1;
// 从高位依次到低位
for (mask=0x80;mask!=0;mask>>=1) {
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
if (SDA_I2C==0) {
// 为0时， dat 对应位清零
dat &= ~mask;
} else {
// 否则置1
dat |= mask;
}
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
}
// 8 位数据传送完后，拉高 SDA 发送非应答信号
SDA _I2C=1;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 1;
Delay_I2C();
SCL_I2C = 0;
return dat;
}
图 15-8 I2C 读字节并非应答信号函数
将上述 5 个底层 I2C 总线操作函数放到文件 Drive_I2C.c 以及 Drive_I2C.h。 Drive_I2C.c 文件前 4 行代码如下图所示。其它代码与上面的函数相同，这里不再赘述。
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
// 总线管脚定义
sbit SCL_I2C = P0^1;
sbit SDA_I2C = P0^2;
图 15-9 I2C 总线底层驱动函数 Drive_I2C.c 部分代码
Drive_I2C.h 代码如下图所示：
#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__
// 起始信号
extern void Start_I2C(void);
// 停止信号
extern void Stop_I2C(void);
// 读字节并发送应答信号
extern unsigned char RdACK_I2C(void);
// 读字节并发送非应答信号
extern unsigned char RdNAK_I2C(void);
// 读字节信号
extern bit Wr_I2C(unsigned char dat);
#endif
图 15-10 Drive_I2C.h 代码
15.1.5 I2C 一次通信时序
所有基于 I2C 总线通信设备都是以上面 5 条最底层操作为基础的，完成一次完整的 I2C 通信时序如下图所示：
图 15-11 I2C 一次通信时序图
如图所示，一次完整的 I2C 总线通信至少包含起始信号 、一次字节读或写，或者多次读或写，以及停止信号。在起始信号与停止信号之间读或写的具体内容与 I2C 器件本身的上层通信协议有关。接下来我们将讲解基于 I2C 总线通信技术的 E2PROM 存储器 AT24C256 的上层通信协议以及具体使用实例。
15.2 E2PROM 存储器 AT24C256 应用
AT24C256 是 Atmel 公司生产的一款 E2PROM 数据存储器，容量为 32768 字节，具有掉电不丢失的功能。在单片机中也有存储器，一种为数据存储器 RAM ，一种为程序存储器，在掉电的情况下 RAM 内的数据会丢失，而程序存储器一般不支持在线编程。然而在很多应用场合我们希望把运行过程中重要的数据存储下来，而在掉电的情况下数据不丢失。 AT24C256 能满足这样的要求，它与单片之间通过 I2C 总线通信实现信息的交换。
图 15-12 片外存储器原理图
下面介绍一下芯片管脚：
A0~A2为地址输入引脚，每一个 AT24C256 可以设置一个独立的器件地址，通过A0~A2的高低电平来设置，单片机通过这个器件地址来区分挂在总线上的 AT24C256 ；- SDA、SCL 为 I2C 总线接口，分别连接到了单片机的 P01， P02 引脚上。
- VCC， GND 分别为电源和地
- WP 为写保护管脚，当 WP 接高电平时，禁止外部对它进行写数据，只能读取它的数据。如上图所示，将 WP 接地，单片机即可对它进行读也可以写，原理图中将 WP 接地了。
AT24C256 的容量为 32768Byte，即 0x8000Byte，在器件内部给每一个字节的存储空间安排了一个地址，并且从 0 开始，因此，地址的最大值为：0x8000-1=0x7FFF，即需要 2 个字节的地址空间，地址的高字节称为 First Word Address，低字节称为 Second Word Address，单片机就是通过这个地址来读取和存储数据的。
15.2.1 单片机往 AT24C256 写入一个字节
AT24C256 写字节如下图所示：
图 15-13 写字节操作
如上图所示， AT24C256 的写字节时序步骤如下：
- 起始信号；
- 写器件地址；
- 写存储地址， First Word Address；
- 写存储地址， Second Word Address；
- 写存储数据；
- 停止信号。
当 I2C 总线上挂载多个从器件时，单片机通过器件地址来区别器件，那在我们开发板上的 AT24C256 的器件地址是多少呢？AT24C256 器件地址如下所示：
图 15-14 AT24C256 器件地址定义
如上图所示，地址的高 4 位为 "1010" 固定值，即 0xA，后四位分别由 A2~A0 、 R/W 决定，在 Nebula Pi 开发板上将器件的 A2~A0 都接地，如图 15-12 所示，因此为 "000"，最后一位为读写方向位。当 R/W = 0 时，表示我们接下来写数据，当 R/W =1 时，表示我们接下来要读数据。很显然我们这里是要写数据，因此 R/W =0。合并起来，要写的地址为 0xA0 。第 3 步为写存储器地址， AT24C256 总共有 32768 字节的存储器，它的地址分别为 0x0000~0x7FFF，因此可以选择任一地址存入数据。第 4 步为写存储数据，即为你写存储的 8 位数据。总结上述，往 AT24C256 写入一个字节数据函数如下所示：
// 往 AT24Cxx 地址 addr 写入单字节数据 dat
void WrByte_AT24Cxx(unsigned int addr, unsigned char dat) {
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来写操作 0x 50 <<1=0xA0
Wr_I2C(0x 50 <<1);
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C( addr >>8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C( addr );
// 向 addr 写入数据 dat
Wr_I2C( dat);
Stop_I2C();
}
图 15-15 写字节操作函数
15.2.2 单片机读取 AT24C256 一个字节
随机读取 AT24C256 单字节通信如下图所示：
图 15-16 随机读通信协议
随机读取单字节数据通信协议如上图所示，步骤如下：
- 起始信号；
- 写器件地址，方向为写；
- 写存储器地址 addr；
- 起始信号；
- 写器件地址，方向为读；
- 读单字节数据，并发送非应答信号
- 停止信号。
第 1 步至第 3 步为告诉 AT24C256 我将从地址 addr 处读取数据，第 4 步到第 6 步为读取存储器地址 addr 处的数据，并告诉 AT24C256 后面不再继续读数据了，第 7 步结束本次通信。具体函数代码如下图所示：
// 读取 AT24Cxx 存储地址 addr 处的数据
unsigned char RdByte_AT24Cxx(unsigned int addr) {
unsigned char dat;
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来写操作
Wr_I2C(0x 50 <<1);
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C( addr >>8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C( addr );
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来读操作
Wr_I2C((0x 50 <<1)|0x01);
// 从地址 addr 读出数据，读出数据后不应答 E2Prom
dat = RdNAK_I2C();
Stop_I2C();
return dat;
}
图 15-17 随机读取单字节函数
到这里我们便完成了对 AT24C256 单字节的读、写通信函数，按照惯例我们将函数封装到 Drive_AT 24Cxx.c、 Drive_AT 24Cxx.h，如下图所示：
#ifndef __AT24Cxx_H__
#define __AT24Cxx_H__
// 写单字节
extern void WrByte_AT24Cxx(unsigned int addr,unsigned char dat);
// 读单字节
extern unsigned char RdByte_AT24Cxx(unsigned int addr);
#endif
图 13-18 Drive_AT24Cxx.h 代码
#include <reg52.h>
#include <Drive_I2C.h>
// 往 AT24Cxx 地址 addr 写入单字节数据 dat
void WrByte_AT24Cxx(unsigned int addr,unsigned char dat) {
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来写操作
Wr_I2C(0x 50 <<1);
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C( addr >>8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C( addr );
// 向 addr 写入数据 dat
Wr_I2C( dat);
Stop_I2C();
}
// 读取 AT24Cxx 存储地址 addr 处的数据
unsigned char RdByte_AT24Cxx(unsigned int addr)
{
unsigned char dat;
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来写操作
Wr_I2C(0x 50 <<1);
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C( addr >>8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C( addr );
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来读操作
Wr_I2C((0x 50 <<1)|0x01);
// 从地址 addr 读出数据，读出数据后不应答 E2Prom
dat = RdNAK_I2C();
Stop_I2C();
return dat;
}
图 15-19 Drive_AT24Cxx.c 代码
如上图所示，所有的代码都是以 I2C 通信的 5 个底层函数为基础的，因此我们需要将 "Drive_I2C.h" 文件包含到代码中，如上图第 02 行代码所示。
15.2.3 AT24C256 单字节读写应用
下面我们建立一个工程，写一个实例来展示单片机对 AT24C256 的读写应用。应用的功能为首先往 AT24C256 存储器地址 0x08 处写入数据 110，然后从该处把数据读出来显示在 1602 液晶上，以此来验证读写操作的正确性，主文件 "Main AT24C256.c" 代码如下图所示：
/*********************************** * AT24C256(I2C)功能测试
* ******************************************************************
* 【主芯片】：STC89SC52/STC12C5A60S2
* 【主频率】: 11.0592MHz
*
* 【版 本】： V1.0
* 【作 者】： stephenhugh
* 【网 站】：https://rymcu.taobao.com/
* 【邮 箱】：
*
* 【版 权】All Rights Reserved
* 【声 明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！
*
*******************************************************************/
#include <reg52.h>
// 包含 AT24Cxx 头文件
#include <Drive_AT24Cxx.h>
#include <Drive_1602.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
// 数码管段选、位选引脚定义
sbit DU = P0^6;
sbit WE = P0^7;
uchar str[10]=0;
// 延时函数
void delayms(unsigned int z) {
unsigned int x, y;
for (x=z;x>0;x--)
for (y=78;y>0;y--);
}
void main() {
uchar dat = 0;
Init_1602();
P2 = 0xff;// 关闭所有数码管
WE = 1;
WE = 0;
// 往 AT24Cxx 存储器地址 0x08 处写入数字 110
WrByte_AT24Cxx(0x08, 110);
Disp_1602_str(1, 2, "AT24C0x test!");
// 读和写之间至少需要间隔 10ms，增加如下代码达到延时的目的
delayms(10);
// 读取 AT24Cxx 存储器地址 0x08 处的数据
dat = RdByte_AT24Cxx(0x08);
str[0] = dat/100+'0';
str[1] = dat%100/10+'0';
str[2] = dat%10+'0';
// 将数据显示在 1602 的第2行第6列处
Disp_1602_str(2, 6, str);
while (1);
}
图 15-20 主文件代码
将工程编译后，下载到开发板验证功能的正确性。
图 15-21 显示结果
AT24C256 对写时序有一个特殊的要求，当完成一次数据通信后，需要延迟 tWR 才能开始下一次起始信号如下图所示， tWR 为 AT24C256 内部处理数据时间，查询 AT24C256 数据手册可知为 10ms。因此，我们在主程序代码第 46 行与第 50 行之间插入了第 47 行的 delayms(10); 代码达到延时的目的，我们可以将第 47 行代码注释掉，将无法正确的读出数据。
图 15-22 时序约束
上述工程中需要添加 1602， I2C， AT24Cxx 的驱动文件，如下图所示：
图 15-23 驱动文件
15.2.4 AT24C256 多字节写通信
根据上面的介绍，大家很容易发现每隔 10ms 才能进行一次正常的写数据操作是非常浪费时间的，尤其是在进行多个字节写操作的时候。 AT24C256 提供了另外一种多字节的写模式，为页操作模式。首先介绍一下 AT24C256 的内部存储器的分页结构。 AT24C256 总共有 32768 个字节的存储空间，总共分为 512 页，每一页总有 64 各字节。第一页的地址范围为 0x0000~0x0040，依次往下均分为 512 页。页操作模式通信时序如下图所示：
图 15-24 页写通信时序
如上如所示，首先发送起始信号、写器件地址、写起始地址，紧接着写入多个字节，写完一个字节，器件内部会将地址自动加 1，最后结束信号。这里需要注意的是，连续写的多个字节必须在同一页内，不能进行跨页连续读写，因此一次通信周期内最多可以写入 64 个字节的数据。如果我们需要写的数据很多，而一页写不下怎么办？首先，启动页写通信，在写的过程中判断是否要写到页的边界了，当到达页边界后停止该次页写通信，再重新发起页写通信将剩余的数据写入，这样便实现了任意个字节的写入，具体函数如下图所示。其中，str 为需要写入的字符串， addr 为写入 AT24C256 的起始地址， len 为写入字符个数。
void WrStr_AT24Cxx(unsigned char *str, unsigned int addr, unsigned char len) {
// 检测上一次是否完成所以数据写操作
while (len > 0) {
// 循环检测器件应答信号
while (1) {
Start_I2C();
// 收到应答，跳出循环
if (0 == Wr_I2C(0x50 << 1)) {
break;
}
// 没收到应答，发送停止信号，继续循环检测
Stop_I2C();
}
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C(addr >> 8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C(addr);
while (len > 0) {
// 写入一个字节，并将字符串指针指向下一个字符
Wr_I2C(*str++);
// 字符数减1
len--;
// 存储地址加1
addr++;
// 检测是否到达了下一页的起始地址，
if (0 == (addr % 64)) {
// 即上一个字节已经写到页的最后边界了
break;
}
// 跳出停止继续写，每页的起始地址为 64 的倍数，
// 判断对 64 取余是否等于0即可。
}
Stop_I2C();
}
}
图 15-25 多字节写数据
15.2.5 AT24C256 多字节读通信
多字节读时序如下图所示，与单字节类似，只是在第一个数据紧接着读取多个数据。这里要注意的是：只有最后一个字节的数据发送非应答信号，前面的数据均发送应答信号。这个也很好理解，因为我们读到最后一个字节时要告诉 AT24C256 我们不再继续读数据了，因此发送非应答信号。
图 15-26 读多字节通讯时序
多字节读取函数代码如下图所示：
// 多字节读
void RdStr_AT24Cxx(unsigned char *str, unsigned int addr, unsigned char len) {
while (1) {
// 循环检测器件应答信号
Start_I2C();
if (0 == Wr_I2C(0x50 << 1)) {
// 收到应答，跳出循环
break;
}
// 没收到应答，发送停止信号，继续循环检测
Stop_I2C();
}
// 写入要操作的地址 addr 高字节
Wr_I2C(addr >> 8);
// 写入要操作的地址 addr 的低字节
Wr_I2C(addr);
// 再次发送起始信号
Start_I2C();
// 通知地址 50 的器件，接下来读操作
Wr_I2C((0x50 << 1)|0x01);
while (len > 1) {
// 读字节并应答
*str++ = RdACK_I2C();
len--;
}
// 最后一个字节，读字节并非应答
*str = RdNAK_I2C();
Stop_I2C();
}
图 13-27 多字节读取函数
将上述的多字节写、多字节读取函数添加到驱动文件 Drive_AT24Cxx.c、Drive_AT 24Cxx.h 中，后续应用中只需要将文件添加到项目中，调用相关的函数就可以了。
15.2.6 AT24C256 多字节读写应用
本小节实现 AT24C256 多字节的读写应用，先向 AT24C256 连续写入多字节数据，然后将数据读出显示在 1602 液晶显示模块上，验证读写的正确性。主程序 MainAT24Cxx-01.c 代码如下图所示：
/*******************************************************************
* AT24C256(I2C)功能测试
* ******************************************************************
* 【主芯片】：STC89SC52/STC12C5A60S2
* 【主频率】: 11.0592MHz
*
* 【版 本】： V1.0
* 【作 者】： stephenhugh
* 【网 站】：https://rymcu.taobao.com/
* 【邮 箱】：
*
* 【版 权】All Rights Reserved
* 【声 明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！
*
*******************************************************************/
#include <reg52.h>
// 包含 AT24Cxx 头文件
#include <Drive_AT24Cxx.h>
#include <Drive_1602.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
// 数码管段选、位选引脚定义
sbit DU = P0 ^ 6;
sbit WE = P0 ^ 7;
uchar str1[] = "AT24c256 Wr Str!";
uchar str2[20];
void main() {
// 关闭所有数码管
P2 = 0xff;
WE = 1;
WE = 0;
//1602 初始化
Init_1602();
// 写入 16 个字节
WrStr_AT24Cxx(str1, 0x05, 16);
// 读取 16 个字节
RdStr_AT24Cxx(str2, 0x05, 16);
// 将数据从第一行第一列开始显示
Disp_1602_str(1, 1, str2);
while (1);
}
图 13-29 多字节读写验证试验
从地址 0x05 开始写入 16 个字节的数据，有效的验证的多字节的读、写操作。
图 15-29 多字节读写试验结果
15.3 本章小结
本章学习了 I2C 通信原理，并且驱动了基于 I2C 通信的外部存储器芯片 AT24C256。