51单片机学习笔记-10IIC总线
10 I2C总线
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注：笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。
10.1 AT24C02和I2C介绍
10.1.1 存储器介绍
图10-1 存储器分类
一般来说，RAM读写速度极快，但掉电丢失；而ROM相对来说读写速度慢，但是可以长期存储数据。
从实现功能的角度来说，只需要关注“地址总线”和“数据总线”即可。为了使主机和从机完成对这些数据的交互，便渐渐的演变出一些实用的特定格式的通信方式，但这些通信方式本身最重要的都是控制“地址”和“数据”的读写。
10.1.2 AT24C02介绍
AT24C02是一种可以实现掉电不丢失的存储器，可用于保存单片机运行时想要永久保存的数据信息。
存储介质：E2PROM。
通讯接口：I2C总线。
容量：256字节，即地址位宽位16，范围是0~255。
图10-2 AT24C02实物图
根据下面芯片的引脚，只需要记住此开发板上EEPROM的“器件地址”为000，其余的只需要考虑SCL和SDA两根线的通信细节即可。
图10-3 AT24C02原理图及功能
10.1.3 I2C总线介绍
I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线，只需要两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）便可以实现同步、半双工通信。通信过程中包含数据应答位ACK，进一步提高了通信的可靠性。通用的I2C总线，可以使各种设备的通信标准统一，对于厂家来说，使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性；对于应用者来说，使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议，降低了学习和应用的难度。
图10-4 使用I2C总线的器件举例
图10-5给出了I2C多机通信的示意图。可以看出：
- 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起。
- 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式（高电平时引脚悬空，无上拉电阻）。
- SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。
图10-5 I2C多机通信示意图
之所以这样设计，是因为开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，可以解决多机通信互相干扰的问题。
10.1.4 AT24C02的数据帧
下面给出I2C数据帧中需要关注的6个关键问题：
- 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平。
- 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平。
- 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。
- 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）。
- 发送应答：在接收完一个字节之后，主机在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答。
- 接收应答：在发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）。
可以看出，最重要的就是，SDA在SCL低电平由主机改变数据，SDA在高电平有从机读出数据。相比于FPGA中可以精细的控制SCL时钟，单片机并不是很在意SCL线周期是否稳定，只要高低电平对就行了。
下面介绍具体的数据帧结构。对于I2C通信来说，共有如下模式：
- 写模式：字节写、页写。
- 读模式：当前地址读、随机读、顺序读。
注：由于读模式中不能指定地址，所以“随机读”模式通过借鉴写模式，使用“哑写”改变当前的地址。
图10-6 IIC“字节写”的数据帧结构
图10-7 IIC“页写”的数据帧结构
图10-8 IIC“当前地址读”的数据帧结构
图10-9 IIC“随机读”的数据帧结构
图10-10 IIC“顺序读”的数据帧结构
由于目前不需要大数据量的通信，且I2C一般用于控制信号的传输，所以可以不考虑传输效率的问题；此外，为了方便进行模块化编程，所以每次读/写都希望可以指定一个地址，于是采用“字节写”、“随机读”两种模式作为读写操作。注意这两种方式每次都只能读/写1字节的信息。注意每次传输的第一个字节为器件地址的相关信息，格式如下：
10-11 IIC协议“器件地址”数据帧格式
10.2 AT24C02数据存储
需求：在LCD1602上显示5位数据(unsigned int)，使用按键进行操作：
- key1进行加一操作；
- key2进行减一操作；
- key3进行将此数据存储到EEPROM芯片（AT24C02）中；
- key4将其从EEPROM芯片中读出来。
注：为了验证是否存储到了EEPROM中，可以将开发板断电后，再从EEPROM芯片中读取数据进行验证。
10-12 “AT24C02存储数据”代码调用关系
代码展示：
- main.c
#include - AT24C02.h
#ifndef __AT24C02_H__
#define __AT24C02_H__
unsigned char AT24C02_WriteByte(unsigned char wr_addr,wr_byte);//字节写
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char rd_addr);//随机读
#endif
- AT24C02.c
#include - PushKey.h
#ifndef __PUSHKEY_H__
#define __PUSHKEY_H__
// 延时cycles ms，晶振@11.0592MHz
void PushKey_Delay(unsigned char cycles){
unsigned char i, j;
do{
i = 2;
j = 199;
do{
while (--j);
}while (--i);
}while(--cycles);
}
/**
* @brief :检测按下了哪个按键开关
* @param :无
* @retval :输出按键开关编号1~4，不按返回0，松开触发
*/
unsigned char PushKey(){
unsigned char key = 0;
if(!P3_1) {PushKey_Delay(10);while(!P3_1);PushKey_Delay(10);key=1;}
else if(!P3_0){PushKey_Delay(10);while(!P3_0);PushKey_Delay(10);key=2;}
else if(!P3_2){PushKey_Delay(10);while(!P3_2);PushKey_Delay(10);key=3;}
else if(!P3_3){PushKey_Delay(10);while(!P3_3);PushKey_Delay(10);key=4;}
return key;
}
#endif
- LCD1602.h、- LCD1602.c与第8节“8DS1302实时时钟”相同。
编程感想：
- 单片机软件编程不用精细的考虑SCL线的变化，为了保证SDA的正确性，即使上一个步骤已经有
SCL=0，下一个步骤的开始也可以再次执行SCL=0。- 卡了很久的bug：写操作时，第三个字节写数据其实是在“写地址”，不知怎么就一直没看出来。
- 卡了很久的bug：在说明书中提到，“字节写”结束后，EEPROM会进入写周期（大概5ms），直到内部写完成后才会响应新的请求。所以不能连续写两个字节！！ 要给写周期留有一定的延时。
- 卡了很久的bug：在读取数据的过程中，此语句进行赋值可行
if(SDA){rd_byte |= (0x80>>i);}，而后面这个语句则不可行rd_byte |= (SDA&(0x80>>i));！可见，软件编程中，跨位宽赋值时还是尽量用判断，避免位运算。
10.3 AT24C02秒表（定时器扫描按键及数码管）
本实验重点在于使用定时器扫描按键和数码管，而不是像之前一样采用软件延时，从而会陷入到死循环当中。
- 对于按键来说。设置一个静态全局变量，表示上一次按下的按键编号。每次中断计时（如20ms）来临时，进入按键检测子函数，看看当前是否为上升沿，从而更新静态全局变量。主函数每次请求按键，则返回这个静态全局变量。如果想在数码管上长久地看到这个按键，那就将其归零的过程放在返回函数中，而不是
PushKey_Loop()函数中。 - 对于数码管来说。设置一个8位静态全局数组，存储8个数码管所需要显示的数据。每次中断计时（如2ms）来临时，进入数码管刷新子函数。这个数码管刷新子函数只负责刷新数据缓冲区的数据（使用for保证每次只刷新一个数码管）。而对于这些数据的更改，则是在主函数中调用相应的函数实现。
需求：在数码管上显示秒表“时-分-秒”，并使用按键进行控制：
- key1进行开始/暂停功能；
- key2将当前时间清零；
- key3将当前的数据写入到EEPROM芯片（AT24C02）中；
- key4则从EEPROM中将数据读回来（需掉电验证）。
10-13 “AT24C02秒表”代码调用关系
代码展示：
- main.c
#include - NixieTube.h
#ifndef __NIXIETUBE_H__
#define __NIXIETUBE_H__
// 数据缓冲区，注意每个数字显示的范围就是0~9
unsigned char NixieTube_buf[8] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
// 给出数字0~9的定义（符合数组的索引），最后两个依次表示不显示/显示横杠
unsigned char NixieTube_number[12] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};
/**
* @brief :改变数码管数据缓冲区的数值。
* @param :index索引1~8，num数值0~11(10表示不显示，11表示横杠)
* @retval :无
*/
void NixieTube_SetBuf(unsigned char index,num){
NixieTube_buf[index-1] = num;
}
/**
* @brief :在指定数码管显示指定的数字。
* @param :led片选信号0~7，num表示显示的索引0~11
* @retval :无。
*/
void NixieTube_Signle(unsigned char led, unsigned char num){
// 给出选择的LED1~LED8的定义（实际上只用P2的2/3/4引脚）
unsigned char sel_led[8] = {0x00,0x04,0x08,0x0c,0x10,0x14,0x18,0x1c};
P0 = 0x00; // 数码管不显示，消影
P2 = sel_led[led]; // 选择数码管：LED1
P0 = NixieTube_number[num]; // 数码管显示
}
//定时器中断函数执行的数码管扫描函数，每次只扫描一个数码管
void NixieTube_Loop(void){
static unsigned char i=0;
NixieTube_Signle(i,NixieTube_buf[i]);
i++;
if(i>=8){i=0;}
}
#endif
- PushKey.h
#ifndef __PUSHKEY_H__
#define __PUSHKEY_H__
// 上一次按下的按键
unsigned char num_PushKey=0;
/**
* @brief :告诉主函数按下了哪个按键。
* @param :无
* @retval :按键编号1~4
*/
unsigned char PushKey_GetKey(void){
unsigned char temp;
temp = num_PushKey;
num_PushKey = 0;
return temp;
}
/**
* @brief :检测按下了哪个按键开关
* @param :无
* @retval :输出按键开关编号1~4，不按返回0，松开触发
*/
unsigned char PushKey_SingleDetect(void){
unsigned char key = 0;
if(!P3_1) {key=1;}
else if(!P3_0){key=2;}
else if(!P3_2){key=3;}
else if(!P3_3){key=4;}
return key;
}
//定时器中断函数执行的按键扫描函数
void PushKey_Loop(void){
static unsigned char state_last=0, state_curr=0;
state_last = state_curr;
state_curr = PushKey_SingleDetect();
if (state_last==1 && state_curr==0){num_PushKey=1;}
else if(state_last==2 && state_curr==0){num_PushKey=2;}
else if(state_last==3 && state_curr==0){num_PushKey=3;}
else if(state_last==4 && state_curr==0){num_PushKey=4;}
}
#endif
- Timer0.h
#ifndef __TIMER0_H__
#define __TIMER0_H__
#include AT24C02.h、AT24C02.c与上一小节的实验相同。
编程感想：
- 小bug：注意
static和const不要写混了。