I2C系列（三）：软件模拟I2C读写24C02

全栈工程师修炼日记2024-03-26 22:36

一.目标

PC 端的串口调试软件通过 RS-485 与单片机通信，控制单片机利用软件模拟 I2C 总线对 EEPROM（24C02） 进行任意读写。

二.硬件简述

2.1 24C02硬件参数

24C02器件地址为0x50，存储容量为256字节，存储单元地址位数为8。地址发送方法如下图所示。

2.2 RS-485简述

在工业控制领域，传输距离越长，要求抗干扰能力也越强。由于 RS-232 无法消除共模干扰，且传输距离只有 15m 左右，无法满足要求。

工业标准组织提出了 RS-485 接口标准。 RS-485 标准采用差分信号传输方式，因此具有很强的抗共模干扰能力。 RS-485 接口芯片 SP485E 的封装及引脚说明如下图 1。

RS-485 的逻辑电平为：

①当 A 的电位比 B 高 200mV 以上时， 为逻辑 1；

②当 B 的电位比 A 电位高200mA 以上时为逻辑 0，传输距离可达 1200m。由于是差分传输，因此无需公共地，在 RS-485 总线上仅需连接两根线 A 和 B。

单片机与 RS-485 接口芯片的电路连接图如下图 2。

三.控制命令定义

定义如下命令：

①c------串口接收数据函数初始化

②s------单片机将接收到的数据发送到串口调试终端显示，以确认单片机是否已正确接收数据

③w------将接收缓冲区 wbuf 中的数据写入 EEPROM 中

④r------将刚才写入 EEPROM 中的数据读出到缓冲区 rbuf 中，并发送到串口调试终端显示

四.C代码

本代码注重功能实现，以期达到理解I2C协议和24C02读写方法的目的。实际项目还须考虑代码质量，如可读性、可维护性等。

4.1 I2C基础时序模拟

4.1.1 引脚初始化

cpp 复制代码 
void i2cinit(void)
{
	sdaout;/*引脚输出模式*/
	sclout;
	sda = 1; /*释放总线*/
	scl = 1;
}

4.1.2 延时函数

1.SCL 时序控制延时函数

78K0指令的最短时钟周期为2个，一条NOP指令即为2个时钟周期，若使用内部8MHz时钟，则执行一条NOP指令需0.25us。

cpp 复制代码 
void delay(void)
{
	UCHAR i;
	for(i = 0;i < NOP_num;i++)
		NOP();
}

2.长延时函数

cpp 复制代码 
void delay_long(UINT a)
{
	UINT i,j;
	for(i = 0;i < a;i++)
	    for(j = 0;j < 100;j++);
}

4.1.3 起始信号模拟

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。

cpp 复制代码 
void i2cstart(void)
{
	sdaout;	
	sclout;
	/*1.初始化SDA为高电平：在SCL低电平期间拉高SDA*/
	scl = 0;
	delay();
	sda = 1;
	delay();
	
	/*2.模拟一个起始信号*/
	scl = 1;
	delay();
	sda = 0;
	delay();
}

4.1.4 停止信号模拟

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。

cpp 复制代码 
void i2cstop(void)
{
	sdaout;
	sclout;
	
	/*1.初始化SDA为低电平：在SCL低电平期间拉低SDA*/
	scl=0;
	delay();
	sda=0; 
	delay();
	
	/*2.模拟一个停止信号*/
	scl=1;
	delay();
	sda=1;
	delay();
}

4.1.5 应答信号模拟

每一个字节必须保证是 8 位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的

字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有 9 位）。

在第 9 个时钟信号的高电平期间：若 SDA为 0，则为应答；若 SDA 为 1，则为非应答。

1.主机发送应答信号

cpp 复制代码 
void i2c_ack_write(UCHAR ack)
{
	sdaout;
	sclout;
	
	/*1.初始化SDA为应答信号/非应答电平：在SLC低电平期间改变SDA*/
	scl=0; /*sda 变化前，先将 scl 置 0,一个时钟周期的开始*/
	delay();
	if(ack == 1)
		sda = 1;/*1，不应答从机，通知从机释放 sda*/
	else 
		sda = 0;/*0，应答从机*/
	delay();
	
	/*2.scl 置高，通知从机读取SDA*/
	scl= 1;
	delay();
}

2.读取从机的应答信号

cpp 复制代码 
UCHAR i2c_ack_read(void)
{
	UCHAR sack;
	sdaout;
	sclout;
	/*1.释放SDA，让从机控制：在SLC低电平期间拉高SDA*/
	scl=0;
	delay();
	sda=1;
	delay();
	sdain; /*sda 设置为输入模式，以检测从机的应答信号*/
	
	/*2.scl 置高，读取从机的应答信号*/
	scl=1
	delay();
	if(sda==1)
		sack=1;/*从机无应答*/
	else 
		sack=0;/*从机应答*/
	return sack; 
}

4.1.6 写一个字节数据

只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答。

cpp 复制代码 
void writebyte(UCHAR dat)
{
	UCHAR temp=0;
	UCHAR i;
	sdaout;
	sclout;
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		/*1.在SCL低电平时，准备好SDA*/
		temp = dat&0x80;
		scl = 0; 
		delay();
		if(temp == 0)
			sda = 0;
		else 
			sda = 1; 
		delay();
		
		/*2.拉高SCL，通知从机读SDA*/
		scl = 1;
		delay();
		
		dat = dat << 1;
	}
	
	/*3.释放SDA总线*/
	scl = 0;
	delay();
	sda = 1;
	delay();
}

4.1.7 读一个字节数据

只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答。

cpp 复制代码 
UCHAR readbyte(void)
{
	UCHAR i;
	UCHAR temp = 0;
	sdaout;
	sclout;
	/*1.主机释放SDA，并将SDA设为输入模式*/
	scl = 0;
	delay();
	sda = 1;
	delay();
	sdain; 
	
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		/*1.拉低SCL，通知从机发送数据*/
		scl=0;
		delay();
		
		/*2.拉高SCL，读取SDA*/
		scl=1;
		delay();
		if(sda == 1)
			temp = (temp << 1) | 0x01;
		else
			temp = (temp << 1) | 0x00;
	}
	return temp;
}

4.2 I2C读写数据

4.2.1 向任意地址写单字节数据

包括数据传送、应答信号（从机），但不包括开始和停止信号。

cpp 复制代码 
UCHAR writebyte_to_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR dat)
{
	UCHAR sack;
	
	/*1.写器件地址*/
	writebyte((dev_addr << 1) | 0);	
	sack = i2c_ack_read(); 
	if(sack	==	1)
		return 1;
	
	/*2.写存储单元地址*/
	writebyte(mem_addr);
	sack = i2c_ack_read(); 
	if(sack == 1)
		return 1;
	
	/*3.发送数据*/
	writebyte(dat);	
	sack = i2c_ack_read();
	if(sack == 1)
		return 1;
	else
		return 0;
}

4.2.2 从任意地址读单字节数据

包括数据传送、应答信号，但不包括开始和停止信号。

cpp 复制代码 
UCHAR readbyte_from_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR *data)
{
	UCHAR temp = 0;
	UCHAR sack = 0;
	
	/*1.写器件地址*/
	writebyte((dev_addr << 1) | 0);
	sack = i2c_ack_read();
	if(sack == 1)
		return 1;
	
	/*2.写存储单元地址*/
	writebyte(mem_addr);
	sack = i2c_ack_read();
	if(sack == 1)
		return 1;
	
	/*3.重置开始，改为读方向*/
	i2cstart();	
	writebyte((dev_addr << 1) | 1);
	sack = i2c_ack_read();
	if(sack==1)
		return 1;
	
	/*4.读数据*/
	readbyte(&temp);
	
	/*5.读完后，主机不应答，通知从机释放 sda*/
	i2c_ack_write(M_NACK); 
	
	*data = temp;
	return 0; 
}

4.2.3 写n字节数据到任意地址

cpp 复制代码 
UCHAR writenbytes_to_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen)
{
	UCHAR i = 0;
	UCHAR sack = 0;
	i2cstart();
	writebyte_to_anyaddr(dev_addr,mem_addr,buf[i]);/*向指定地址写一个数据*/
	for(i = 1;i < buflen;i++)
	{
		/*页边界处理*/
		if((mem_addr & 0x07) == 0x07)/*地址的低 3 位为"111"时，主机须送下一页的起始地址*/
		{
			i2cstop(); /*到页边界时，主机须发停止信号，通知从机结束当前页的传送*/
			delay_long(1);/*结束信号与开始信号之间须延时*/
			i2cstart();/*开始*/
			writebyte((dev_addr << 1) | 0); /*送器件地址，写*/
			sack = i2c_ack_read(); /*检测从机应答*/
			if(sack==1)
				return 1;/*无应答，返回 1*/
		
			writebyte(mem_addr + 1);/*写数据地址，地址值加 1*/
			sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/
			if(sack == 1)
				return 1;/*无应答，返回 1*/
		}
		
		 /*页内写字节，地址自动加 1*/
		writebyte(buf[i]);
		sack=i2c_ack_read();
		if(sack==1)
			return 1;
	
		mem_addr++;/*mem_addr 始终等于当前写入数据的地址，以便进行页边界判断*/
	}
	return 0; /*返回 0，写成功*/
}

4.2.4 从任意地址读n字节数据

cpp 复制代码 
UCHAR readnbytes_from_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen)
{
	UCHAR i=0;
	UCHAR sack;
	i2cstart();/*开始*/
	writebyte((dev_addr << 1) | 0);/*送器件地址，写*/
	sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/
	if(sack==1)
		return 1;
	
	writebyte(mem_addr);/*送数据地址*/
	sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/
	if(sack==1)
		return 1;
	
	i2cstart();/*开始*/
	writebyte((dev_addr << 1) | 1);/*送器件地址，读*/
	sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/
	if(sack==1)
		return 1;
	
	for(i=0;i<buflen;i++)
	{
		buf[i]=readbyte(); /*读一字节数据到指定的缓冲区中*/
		if(i==(buflen-1))
			i2c_ack_write(M_NACK); /*读完后，主机不应答，通知从机释放 sda*/
		else
			i2c_ack_write(M_ACK); /*若未读完，主机应答，继续读*/
	}
	return 0;/*返回 0，读成功*/
}

4.3 串口中断服务函数

4.3.1 接收中断处理函数

cpp 复制代码 
__interrupt void MD_INTSR0(void)
{
	UCHAR err_type;
	UCHAR rx_data;
	err_type = ASIS0;
	rx_data = RXB0;
	P7=rx_data;
	if( err_type & 0x07 )
	{
		CALL_UART0_Error( err_type );
		return;
	}
	if(rx_data=='c') /*接收到 c 命令， flag 置 1*/
	{
		flag=1;
		return;
	}
	if(rx_data=='s') /*接收到 s 命令， flag 置 2*/
	{
		flag=2;
		return;
	}
	if(rx_data=='w') /*接收到 w 命令， flag 置 4*/
	{
		flag=4;
		return;
	}
	if(rx_data=='r')/*接收到 r 命令， flag 置 5*/
	{
		flag=5;
		return;
	}
	if(gUart0RxLen > gUart0RxCnt)/*正常接收数据，非命令*/
	{
		*gpUart0RxAddress = rx_data;
		gpUart0RxAddress++;
		gUart0RxCnt++;
	}
	else
		flag=3;/*接收缓冲区满， flag 置 3*/
}

4.3.2 发送中断处理函数

cpp 复制代码 
__interrupt void MD_INTST0(void)/*发送中断处理函数*/
{
	if( gUart0TxCnt > 0 )
	{
		TXS0 = *gpUart0TxAddress;
		gpUart0TxAddress++;
		gUart0TxCnt--;
	}
	else /*发送完毕*/
	{
		P1.2=0;/*将 485 设置为接收模式*/
		SRMK0=0;/*开接收中断*/
	}
}

4.4 宏定义和声明

cpp 复制代码 
extern volatile USHORT gUart0RxCnt; /*接收数据统计*/
extern UCHAR flag;/*串口调试软件终端发送的命令标识*/

#define NOP_num 60/*延时函数中 NOP()指令的执行次数*/
#define scl P6.0 /*开漏输出引脚 P6.0 作为时钟引脚*/
#define sda P6.1 /*开漏输出引脚 P6.1 作为数据引脚*/
#define sclout PM6.0=0 /*时钟引脚输出模式*/
#define sdaout PM6.1=0 /*数据引脚输出模式*/
#define sclin PM6.0=1 /*时钟引脚输入模式*/
#define sdain PM6.1=1 /*数据引脚输入模式*/

#define DEV_ADDR 0x50 /*器件地址宏定义，输出*/

#define M_NACK 1 /*主机无应答常量定义*/
#define M_ACK 0 /*主机应答常量定义*/

void delay(void); /*SCL 时序控制延时函数*/
void delay_long(UINT a);/*长延时函数*/

void i2cinit(void);/*IIC 引脚初始化函数*/

void i2cstart(void);/*启动函数*/
void i2cstop(void);/*停止函数*/
void i2c_ack_write(UCHAR);/*主机应答处理函数*/
UCHAR i2c_ack_read(void);/*从机应答处理函数*/

void writebyte(UCHAR dat);/*写一个字节函数，只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答*/
UCHAR readbyte(void);/*读一个字节函数，只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答*/

UCHAR writebyte_to_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR dat);/*向任意地址写一个数，包括开始信号、数据传送、应答信号（从机），但不包括停止信号*/
UCHAR readbyte_from_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr);/*从任意地址中读一个数，包括开始信号和数据传送，但不包括应答信号（主机）和停止信号*/

UCHAR writenbytes_to_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen);/*向任一地址开始的连续多个储存单元写一串数据*/
UCHAR readnbytes_from_anyaddr(UCHAR dev_addr,UCHAR mem_addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen);/*从任一地址开始的连续多个储存单元读出一串数据*/

4.5 主处理函数main

cpp 复制代码 
void main( void )
{
	UCHAR wbuf[256]={0};/*待写到 EEPROM 中的数据缓冲区*/
	UCHAR rbuf[256]={0};/*从 EEPROM 中读出的数据缓冲区*/
	UCHAR wend[] = "write end!";/*写完成提示*/
	UCHAR temp=0;
	UCHAR i;
	UCHAR wnum=0;
	i2cinit();/*IIC 引脚初始化*/
	UART0_ReceiveData( wbuf,256);/*串口接收数据函数初始化*/
	P1.2=0;/*RS-485 使能引脚，设置为数据接收模式*/
	UART0_Start(); /*启动串口*/
	P7.0=0; /*程序运行 LED 指示*/
	while (1)
	{
		if(flag == 1)/*c 命令，串口接收数据函数初始化*/
		{
			UART0_ReceiveData( wbuf,256);
			flag=0;
		}
		if(flag == 2)/*s 命令,单片机将接收到的数据发送到串口调试终端显示*/
		{
			SRMK0=1;/*屏蔽接收中断*/
			P1.2=1; /*单片机设置为数据发送模式*/
			delay_long(1);
			flag=0;
			temp=(UCHAR)gUart0RxCnt;/*强制类型转换*/
			UART0_SendData(wbuf,temp);/*将接收的数据发送到串口调试终端*/
		}
		if(flag==3)/*接收缓冲区满，初始化串口接收函数，覆盖原来的数据*/
		{
			flag=0;
			UART0_ReceiveData( wbuf,256);
		}
		if(flag==4)/*w 命令，将 wbuf 中的数据写入 EEPROM 中*/
		{
			flag=0;
			DI();/*写过程，禁止中断*/
			temp=(UCHAR)gUart0RxCnt;
			writenbytes_to_anyaddr(DEV_ADDR,0,wbuf,temp);
			i2cstop();
			delay_long(2);
			i2cstart();
			writebyte_to_anyaddr(DEV_ADDR,250, temp);
			i2cstop();
			EI();/*开中断*/
			SRMK0=1;/*屏蔽接收中断*/
			P1.2=1; /*设置为发送模式*/
			UART0_SendData( wend,sizeof(wend));/*发送写结束字符串到串口调试终端显示*/
		}
		if(flag==5)/*r 命令，将刚才写入到 EEPROM 中的数据读出到 rbuf 中，并发送到串口调试终端显示*/
		{
			flag=0;
			DI();/*读过程中，禁止中断*/
			i2cstart();
			readbyte_from_anyaddr(DEV_ADDR,250,&wnum);
			i2cstop();
			delay_long(1);
			readnbytes_from_anyaddr(DEV_ADDR,0,rbuf,wnum); /*读数据*/
			i2cstop();
			EI();/*开中断*/
			SRMK0=1;
			P1.2=1;
			delay_long(1);
			UART0_SendData(rbuf,wnum);
		}
	}
}

五.测试结果

发送 "1,2,3....18" 共 18 个数给单片机，让单片机以页写的方式写入 24C04 中。

结果如下：

1） 若不进行页边界处理，则 17 和 18 两个数覆盖 01 和 02，即为页上卷，且说明页内字节数为

16字节。（如下图 ）

2）进行页边界处理后，结果如下图 ：

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