I2C总线及AT24C02读写

I2C总线介绍

1. I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线
2. 两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
3. 同步、半双工，带数据应答
4. 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

I2C电路规范

1. 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
2. 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
3. SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右
4. 开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，即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的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题

单片机的引脚内部都有上拉电阻，P0除外，但P0口外接了上拉电阻，所以可以认为引脚都是弱上拉形式，其实P0口不接上拉电阻的话就是开漏输出

主从机关系

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器

在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。

在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。

I2C的时序结构

起始和终止信号

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平 -> start（s）
终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平 -> stop（p）

/**
  * @brief起始信号
  * @param无
  * @retval无
  */
void I2C_Start()
{
	SDA = 1;
	SCL = 1;
	SDA = 0;
	SCL = 0;
}

/**
  * @brief停止信号
  * @param无
  * @retval无
  */
void I2C_Stop()
{
	SDA = 0;
	SCL = 1;
	SDA = 1;
}

起始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。

连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。

接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。

发送一个字节

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

综述：SCL为0，则往SDA放数据，SCL为1，则从机读取SDA的数据

思考：为什么是在SCL为低电平放数据，高电平读取呢？

答：因为SCL为高电平时SDA电平发生翻转代表的是：起始信号和终止信号；如果发送数据时也是SCL高电平时SDA发生数据翻转，就会被认为是起始信号或终止信号，无法发送数据

注：SDA线的交叉处意思是：若SDA本来是1，则在SCL为低电平时转换为0，若SDA本来是0，则在SCL为低电平时转换为1，就表示其中一种的转换状态，可以往SDA线上放数据

/**
  * @brief发送一个字节
  * @param要发送的字节
  * @retval无
  */
void I2C_SendByte(unsigned char dat)
{
	unsigned char i;
	for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
	{
		SDA = dat & (0x80>>i);	//依次取出dat的第7、6、5、4……位进行发送
		SCL = 1;
		SCL = 0;
	}
}

特殊情况：

1. 由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。
2. 如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。
   1. 当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

接收一个字节

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，将控制权交给从机，即SDA = 1）

/**
  * @brief接收一个字节
  * @param无
  * @retval接收到的一个字节数据
  */
unsigned char I2C_ReceiveByte()
{
	unsigned char rec = 0x00;
	unsigned char i;
	SDA = 1;					//接收字节前释放SDA，把控制权交给从机
	for(i = 0; i < 8; i++)
	{
		SCL = 1;
        //如果SDA上的数据是1，则rec的i位上被置1；如果SDA上数据是0，则rec的i位不变，还是0
		if(SDA){rec |= (0x80>>i);}	
		SCL = 0;
	}
	return rec;	
}

应答

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，将控制权交给从机，SDA = 1）

/**
  * @brief 发送应答
  * @param ack为应答位，0为应答，1为非应答
  * @retval无
  */
void I2C_SendAck(unsigned char ack)
{
	SDA = ack;
	SCL = 1;
	SCL = 0;
}

/**
  * @brief接收应答
  * @param无
  * @retval接收一个应答，0为应答，1为非应答
  */
unsigned char I2C_ReceiveAck()
{
	unsigned char rec;
	SDA = 1;
	SCL = 1;
	rec = SDA;
	SCL = 0;
	return rec;
}

发送一帧数据

完成任务：向谁发什么

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/!W），用“0”表示主机发送数据（W），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

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，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/W位将自己确定为发送器或接收器

AT24C02的固定地址为1010，可配置地址本开发板上为000，所以SLAVE ADDRESS+W为0xA0，SLAVE ADDRESS+R为0xA1

接收一帧数据

完成任务：向谁收什么

先发送再接收数据帧（复合格式）

完成任务：向谁收指定的什么

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/写方向位正好反相

---

以上是I2C协议的时序说明，下面两个时序是AT24C02实际要通信时所写的时序

字节写：在WORD ADDRESS处写入数据DATA

/**
  * @brief发送一帧数据
  * @param word_address为要往哪个字地址发送数据，dat为要发送的数据
  * @retval无
  */
void AT24C02_SendData(unsigned char word_address,unsigned char dat)
{
	unsigned char ack;
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_address);
	ack = I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(word_address);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(dat);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_Stop();
}

随机读：读出在WORD ADDRESS处的数据DATA

AT24C系列器件片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，在芯片的“一次装载字节数”（不同芯片字节数不同）限度内，只需输入首地址。装载字节数超过芯片的“一次装载字节数”时，数据地址将“上卷”，前面的数据将被覆盖。

注意：实现了AT24C02的字节写和随机读的函数后，在main函数中进行调用，写入数据后要至少延时5ms才能读取数据，因为数据写入AT24C02（EEROM）中比较慢，需要时间

/**
  * @brief接收一帧数据
  * @param word_address为从哪个地址接收数据
  * @retval 返回接收到的一个字节数据
  */
unsigned char AT24C02_ReceiveData(unsigned char word_address)
{
	unsigned char rec,ack;
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_address);
	ack = I2C_ReceiveAck();
	I2C_SendByte(word_address);
	I2C_ReceiveAck();
	I2C_Start();
	I2C_SendByte(AT24C02_address|0x01);
	I2C_ReceiveAck();
	rec = I2C_ReceiveByte();
	I2C_SendAck(1);
	I2C_Stop();
	return rec;
}

通俗理解：

以随机读为例：老师（起始信号S）：下面请一位同学来回答一下问题，小华你来吧（从机地址+写入数据S：SLAVE ADDRESS+W）

​ 小华：好的收到（RA：0）

​ 老师：问题是1+9等于多少（S：WORD ADDRESS）

​ 小华：好的收到（RA：0）

​ 老师把麦交给小华，此时老师要听取小华的回答（S S：SLAVE ADDRESS+R）

​ 小华：好的收到（RA：0）

​ 小华：1+9等于10（R：DATA）

​ 老师：好的收到（SA：1）

​ 老师停止交流（P）

数据左移右移

左移时最低位补0，最高位移入PSW的CY位
右移时最高位保持原数，最低位移除。

main函数中使用AT24C02发送和读取数据

unsigned char Data;
void main()
{
	/*因为AT24C02的函数写入的是一个字节，8位，最多去到255，如果想存256之后的数据，
	则超出了一个字节的范围，就只会保存低8位的数据，高位的直接舍弃掉了，所以要对数据
	进行分割，分为高8位和低8位，分别存入两个不同的字地址中*/
    AT24C02_SendData(0,Data%256);	//在字地址为0的地方，保存数据的低8位
    Delay1ms(5);
    AT24C02_SendData(1,Data/256);	//在字地址为0的地方，保存数据的高8位
    Delay1ms(5);
    /*因为数据的高8位和低8位分开在了两个字地址保存，所以读出来时要进行拼接*/
	Data = AT24C02_ReceiveData(0);	//读取低8位
	/*将高8位读出来后左移8位，则此时低8位为0，再或上上一步读取到的低8位，就组成了一个整数*/
	Data |= AT24C02_ReceiveData(1)<<8;	
}