I2C串行总线及串行EEPROM的扩展

一、I2C串行总线的组成及工作原理

采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性增强。

常用的串行扩展总线有：I2C总线（Inter IC BUS）、单总线、SPI（Serial Peripheral Interface）总线及Microwire/PLUS等。

1. I2C串行总线的组成

I2C总线由两根双向信号线组成。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。如图：

I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出低电平，都将使总线的信号变低，及各器件的SDA及SCL都是线“与”的关系，如图：

   

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其他器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其他器件，这时主机为发送器，总线上接收数据的器件为接收器，也可以反过来。

2. I2C总线工作时序图

主机和从机之间的通信过程如图：

整个过程包括：起始信号、数据发送与应答、终止信号。其中，当SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低

电平的变化表示起始信号；当SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。过程如图所示：

起始信号发送后，开始数据发送，I2C总线进行数据传送时，时钟信号SCL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。如图所示：

起始信号和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总

线就处于空闲状态。

3. 数据帧传送格式

发送数据的时候，每一个发送字节必须是8位长度。数据发送时，先传送最高位（MSB），每传送一个字节后，

都必须跟一位应答位（即一帧共有9位），应答位为接收器向发送器发送。I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包

括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），

“1”表示主机接收数据（R）。

在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，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：阴影部分表示数据由主机向从机发送，反之亦然。A表示应答（低电平），A非表示非应答（高电平）。S表

示起始信号，P表示终止信号。

（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，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位相反：

4. 总线的寻址

I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。寻址字节的位定义为：

D7 ~ D1位组成从机的地址，D0位是数据传送方向位。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的

最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，则仅能寻址8个同样的器件。

5. 80C51单片机I2C串行总线器件接口

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等，利用软件实现I2C总线的数据传送。在信号

模拟中，为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终止信号、

发送“0”及发送“1”的模拟时序如下：

二、串行EEPROM的扩展

1. 串行EEPROM典型产品

ATMEL公司的AT24C系列：

AT24C01：128字节 （128*8位）；

AT24C02：256字节 （256*8位）；

AT24C04：512字节 （512*8位）；

AT24C08：1K字节 （1K*8位）；

AT24C16：2K字节 （2K*8位）；

2. 写入过程

AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010，A2、A1、A0引脚接高、低电平得到确定的3位编码。形成的

7位编码即该器件的地址。

（1）单片机进行写操作时，具体的传送数据过程如图所示：

首先，发送该器件的7位地址+写方向为“0”，发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存

储器在确认是自己的地址后，在SDA线上产生一个应答信号作为回应，单片机收到应答后开始传送数据。

传送数据时，单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址，收到存储器的应答后，单片机开始逐个

发送各数据字节，每发送一个字节后都要等待应答。

（2）单片机进行读操作时，具体过程如下：

首先，单片机发送该器件的7位地址码和写方向位“0”（叫作“伪写”），发送完后释放SDA线，并产生第9个时钟信

号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后，在SDA线上产生一个应答信号作为回应。

然后，再发一个字节的要读出器件的存储区的首地址，收到应答后，单片机要重复一次起始信号并发出器件地址

和读方向为“1”，（上图中，在“器件地址+1”前面还应有个起始信号“S”），收到器件应答后单片机就可以读出数据字

节，每读出一个字节，单片机都要回复应答信号。当最后一个字节数据读完后，单片机返回以“非应答”（即高电平），

并发出终止信号。

三、具体代码实现（这里用的是AT24C02型号的E2PROM）

/*************************************************************
硬件: 普中科技 HC6800-EM3 V3.0
功能: 通过独立按键对变量num进行加减，并显示在数码管上
	   具体为: 按1把num保存在E2PROM里，按2从E2PROM读取num，
	   		   按3对num进行加减，按4对num清零
日期: 2017/08/26 22:44
***************************************************************/

#include

typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
sbit SCL=P2^1;
sbit SDA=P2^0;

sbit a138=P2^2;
sbit b138=P2^1;
sbit c138=P2^0;

sbit key1=P3^0;	//四个独立按键
sbit key2=P3^1;
sbit key3=P3^2;
sbit key4=P3^3;

u8 num=0;

u8 code smgduan[]=
{	
	0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
	0x66,0x6d,0x7d,0x07,
	0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
	0x39,0x5e,0x79,0x71 	
};

u8 disp[4];

void Delay10us(void)   //如果b小于40，程序有错
{
    unsigned char a,b;
    for(b=40;b>0;b--)
        for(a=2;a>0;a--);
}

void I2cStart()  //I2C总线起始信号
{
	SDA=1;
	Delay10us();
	SCL=1;
	Delay10us();
	SDA=0;
	Delay10us(); 
	SCL=0;
	Delay10us(); 	
}

void I2cStop()  //I2C总线结束信号

{
	SDA=0;
	Delay10us();
	SCL=1;
	Delay10us();
	SDA=1;
	Delay10us();
}
void I2cWriteByte(u8 dat)    // 单片机向I2C写一个字节   add:1010 000  写地址：0xa0;  读地址：0xa1;
{
	u8 i,j;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		dat<<=1;
		SDA=CY;
		Delay10us();
		SCL=1;
		Delay10us();
		SCL=0;
		Delay10us();
	}
	SDA=1;
	Delay10us();
	SCL=1;
	Delay10us();
	while(SDA&&(j<255)) j++;
	SCL=0;
	Delay10us();
}

u8 I2cReadByte()   //单片机从I2C读一个字节
{
	u8 dat,i;
	SDA=1;
	Delay10us();	
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		SCL=1;
		Delay10us();
		dat<<=1;
		dat|=SDA;
		SCL=0;
		Delay10us();
	}
	return dat;
}

void At24c02Write(u8 addr,u8 dat)  //向AT24C02写数据
{
	I2cStart();
	I2cWriteByte(0xa0);
	I2cWriteByte(addr);
	I2cWriteByte(dat);
	I2cStop();
}

u8 At24c02Read(u8 addr)  //从AT24C02读数据
{
	u8 rec;
	I2cStart();
	I2cWriteByte(0xa0);
	I2cWriteByte(addr);
	I2cStart();
	I2cWriteByte(0xa1);
	rec=I2cReadByte();
	I2cStop();
	return rec;
}

void Display() //数码管的动态显示
{
	u8 i;
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		switch(i)
		{
			case(0):
				a138=0;b138=0;c138=0;break;
			case(1):
				a138=1;b138=0;c138=0;break;
			case(2):
				a138=0;b138=1;c138=0;break;
			case(3):
				a138=1;b138=1;c138=0;break;
		}

		P0=disp[i];
		Delay10us();
		P0=0x00;		//消抖
		Delay10us();
	}
}

void KeyProc()
{
	key1=1;
	key2=1;
	key3=1;
	key4=1;

	if(0==key1)
	{
		Delay10us();
		if(0==key1)
		{
			At24c02Write(3,num);
		}
		while(!key1);
	}
	
	if(0==key2)
	{
		Delay10us();
		if(0==key2)
		{
			num=At24c02Read(3);
		}
		while(!key2);
	}
	
	if(0==key3)
	{
		Delay10us();
		if(0==key3)
		{
			num++;
			if(num>255)
			{
				num=0;
			}
		}
		while(!key3);
	}
	
	if(0==key4)
	{
		Delay10us();
		if(0==key4)
		{
			num=0;
		}
		while(!key4);
	}	
}

void NumProc()
{
	disp[0]=smgduan[num/1000];
	disp[1]=smgduan[num%1000/100];
	disp[2]=smgduan[num%100/10];
	disp[3]=smgduan[num%10];
}

void main()
{
	while(1)
	{
		KeyProc();
		NumProc();
		Display();
	}
}