I2C：总线标准或通信协议
EEPROM：AT24C02芯片
开发板板载了1个EEPROM模块，可实现IIC通信
1、EEPROM模块电路（AT24C02）
芯片的SCL和SDA管脚是连接在单片机的P2.1和P2.0上
2、I2C介绍
I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器（MCU）及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点
I2C 总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL
2.1 I2C物理层
I2C通信设备常用的连接方式如下图所示：
特点（了解一下即可）：
（1）它是一个支持多设备的总线。"总线"指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机
（2）一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步
（3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问
（4）总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平
（5）多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线
（6）具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式
（7）连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制（接5-6个没有问题）
2.2 I2C协议层（作用于MCU）
I2C的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节
2.2.1 数据有效性规定
I2C总线进行数据传送时，时钟（SCL）信号为高电平期间，数据（SDA）线上的数据必须保持稳定；只有在时钟（SCL）线上的信号为低电平期间，数据（SDA）线上的高电平或低电平状态才允许变化。如下图所示：
每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制
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
2.2.1.1 读数据的代码
SCL为高电平时才能读数据
//6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack){
u8 i=0,receive=0;
for(i=0;i<8;i++){
IIC_SCL=0; //开始时SCL为低电平
delay_10us(1); //有一个延时，是因为高低电平变化时，会有一个变化时间，需要延时一下
IIC_SCL=1; //往后走变为高电平
receive<<=1;
if(IIC_SDA==1){
receive++;
}
delay_10us(1);
}
if(!ack){
iic_ack();
}else{
iic_nack();
}
return receive;
}
2.2.1.2 写数据的代码
void iic_write_byte(u8 dat){
u8 i=0;
IIC_SCL=0; //为0时，数据可以改变
//循环8次，将一个字节传出去
//要求：先传高位，再传低位
for(i=0;i<8;i++){
if((dat&0x80)>0){
IIC_SDA=1;
}else{
IIC_SDA=0;
}
dat<<=1; //把次高位变为最高位
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
delay_10us(1);
}
}
2.2.2 起始和停止信号
起始条件：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
终止条件：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
如下图所示：
2.2.2.1 起始信号
void iic_start(){
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SDA=0; //SDA先变为低电平，先写SDA
// delay_10us(1); //可以加，也可以不加
IIC_SCL=0; //拉低后，就准备发送和接收数据
// delay_10us(1); //可以加，也可以不加
}
2.2.2.2 停止信号
void iic_stop(){
IIC_SDA=0;
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1; //写不写都可以
}
2.2.3 应答响应
每当发送器件传输完一个字节（长度：8）的数据后，后面必须紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制 SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应
响应包括"应答(ACK)"和"非应答(NACK)"两种信号
作为数据接收端时，当设备（无论主从机）接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送"应答(ACK)"信号即特定的低电平脉冲， 发送方会继续发送下一个数据
若接收端希望结束数据传输，则向对方发送"非应答(NACK)"信号即特定的高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输
应答响应时序图如下图所示：
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1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）
2.2.3.1 应答0
void iic_ack(){
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0; //应答
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
}
2.2.3.2 非应答1
void iic_nack(){
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=1; //非应答
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
}
2.2.3.3 等待应答
返回值为0应答；返回值为1非应答
u8 iic_wait_ack(){
u8 time_temp=0; //注意：定义变量时放在上方，否则容易出现问题
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
//意外情况，没有应答
while(IIC_SDA){ //等待IIC_SDA出现低电平
time_temp++;
if(time_temp>100){ //超时了，强制退出
iic_stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;
return 0;
}
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要
2.2.4 总线的寻址方式
（1）I2C总线寻址按照从机地址位数可分为两种，一种是7位，另一种是10位。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）的位定义如下图所示：
D7-D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为"0"时表示主机向从机写数据，为"1"时表示主机由从机读数据
（2）AT24C02器件地址为7位，高4位固定为1010，低3位由A0/A1/A2信号线的电平决定。因为传输地址或数据是以字节为单位传送的，当传送地址时，器件地址占7位，还有最后一位（最低位R/W）用来选择读写方向，它与地址无关。其格式如下图所示：
如果要对芯片进行写操作时，R/W 即为0，写器件地址即为0XA0；如果要对芯片进行读操作时，R/W 即为1，此时读器件地址为0XA1
（1）和（2）连起来看，两个图代表的意思一样
2.2.5 数据传输
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（写）数据（W），"1"表示主机接收（读）数据（R）
2.2.5.1 写数据
有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号
void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat){ //addr：at24c02的地址
iic_start(); //S
iic_write_byte(0xa0); //1010 0000 //从机地址和0
iic_wait_ack(); //A
iic_write_byte(addr); //指定地址 //寄存器（at24c02）地址
iic_wait_ack(); //A
iic_write_byte(dat); //数据
iic_wait_ack(); //A/A非
iic_stop(); //P
delay_ms(10);
}
2.2.5.2 读数据
有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号
u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr){ //addr：at24c02的数据地址
u8 temp=0;
iic_start(); //S
iic_write_byte(0xa0); //1010 0000 //从机地址和0
iic_wait_ack(); //A
iic_write_byte(addr); //指定地址 //寄存器（at24c02）地址
iic_wait_ack(); //A/A非
iic_start(); //S
iic_write_byte(0xa1); //1010 0001 //从机地址和1
iic_wait_ack(); //A
temp=iic_read_byte(1); //读时从当前地址开始读（因为上方已经指定过at24c02的地址了，所以不需要再次指定at24c02的地址 ）
iic_stop(); //P
return temp;
}
3、软件设计
3.1 创建多文件工程
3.1.1 创建文件夹
在电脑上创建一个实验文件夹，为了与教程配套，这里命名为"I2C-EEPROM实验"，然后在该文件夹内新建App、Public、User三个文件夹，如下图所示：
Listings和Objects是软件自动生成的
App文件夹：用于存放外设驱动文件，如LED、数码管、定时器等（24c02、iic、key、smg四个文件夹）
Public文件夹：用于存放51单片机公共的文件，如延时、51头文件、变量类型重定义等。
User文件夹：用于存放用户主函数文件，如main.c
3.1.2 新建工程
首先打开KEILC51软件，新建一个工程，将工程命名为template并保存在"I2C-EEPROM实验"文件夹下，然后选择芯片类型为"AT89C52"，不使用系统创建启动文件
3.1.3 向工程添加文件
（1）将含有.c文件的文件夹添加到工程中，这里我在工程中创建3组，User、App、Publi，通常在工程组的命名与创建的文件夹名保持一致，方便查找到源文件位置
（2）点击下图中的图标，创建新文件，Ctrl+S将文件重命名，并保存到对应的文件夹中
例如：创建新文件，Ctrl+S将文件重命名为public.c，并保存到public文件夹中
（3）这样每一个文件夹中都有一个.c和一个.h文件（文件名和文件夹名一样），之后需要将建好的文件添加到（1）创建的工程中
App：24c02.c、iic.c、key.c、smg.c
Public：public.c
User：main.c
3.1.4 配置魔术棒选项卡
（1）点击下图中的图标
（2） 点击Output选项卡，将CreateHEXFile选项勾上
（3）点击C51选项卡，将前面添加到工程组中的文件路径包括进来，否则程序中调用其他文件夹的头文件则会报错找不到头文件路径
3.2 实验代码
要实现的功能是：系统运行时，数码管右3位显示0，按K1键将数据写入到EEPROM内保存，按K2键读取EEPROM内保存的数据，按K3键显示数据加1，按K4键显示数据清零，最大能写入的数据是255
一般我们以文件形式存放对应功能的驱动程序时，会创建2个文件，一个是.c源文件，另一个是.h头文件。源文件（.c）通常存放的是外设的驱动程序，比如按键检测函数；而头文件（.h）通常用 来存放管脚定义、变量声明、函数声明
3.2.1 public文件
3.2.1.1 public.h
//头文件中放置函数的声明、全局变量的定义
#ifndef _public_H
#define _public_H#include "reg52.h"
//全局变量
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
//两个延迟函数声明
void delay_10us(u16 us);
void delay_ms(u16 ms);
#endif
在头文件的开头，使用"#ifndef"关键字，判断标号"_public_H"是否被定义，若没有被定义，则从"#ifndef"至"#endif"关键字之间的内容都有效
这个头文件（public.h文件）若被其它文件"#include"，它就会被包含到其该文件中，且头文件中紧接着使用"#define"关键字定义上面判断的标号"_public_H"。当这个头文件被同一个文件第二次"#include"包含的时候，由于有了第一次包含中的"#define _public_H" 定义，这时再判断"#ifndef _public_H"，判断的结果就是假了，从"#ifndef" 至"#endif"之间的内容都无效，从而防止了同一个头文件被包含多次，编译时就不会出现"redefine（重复定义）"的错误了
3.2.1.2 public.c
#include "public.h"
void delay_10us(u16 us){
while(us--);
}
void delay_ms(u16 ms){
u16 i=0,j=0;
for(i=0;i<ms;i++){
for(j=0;j<110;j++);
}
}
3.2.2 独立按键
3.2.2.1 key.h文件
#ifndef _key_H
#define _key_H#include "public.h"
sbit KEY1=P3^1;
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;
u16 key_scan(u16 mode);
#endif
3.2.2.2 key.c文件
#include "key.h"
u16 key_scan(u16 mode){
static u16 key=1;
if(mode==1){
key=1;
}
if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0)){
delay_10us(1000);
key=0;
if(KEY1==0){
return 1;
}else if(KEY2==0){
return 2;
}else if(KEY3==0){
return 3;
}else if(KEY4==0){
return 4;
}
}else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1){
key=1;
return 0;
}
}
3.2.3 动态数码管
3.2.3.1 smg.h
#ifndef _smg_H
#define _smg_H
#include "public.h"
sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;
#define SMG_A_DP_PORT P0
extern u8 gsmg_code[];
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos);
#endif
3.2.3.2 smg.c
#include "smg.h"
u8 gsmg_code[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
//save_buff是一个u8类型的数组，方便外部传入要显示的数据
//pos是数码管从左开始第几个位置开始显示，取值范围是1-8
void smg_display(u8 save_buff[],u8 pos){
u16 i=0;
u16 pos_temp=pos-1;
for(i=pos_temp;i<8;i++){
//位选
switch(i){
case 0:
LSC=1,LSB=1,LSA=1; //7
break;
case 1:
LSC=1,LSB=1,LSA=0; //6
break;
case 2:
LSC=1,LSB=0,LSA=1; //5
break;
case 3:
LSC=1,LSB=0,LSA=0; //4
break;
case 4:
LSC=0,LSB=1,LSA=1; //3
break;
case 5:
LSC=0,LSB=1,LSA=0; //2
break;
case 6:
LSC=0,LSB=0,LSA=1; //1
break;
case 7:
LSC=0,LSB=0,LSA=0; //0
break;
}
SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[save_buff[i-pos_temp]]; //save_buff[?]（？：0、1、2）
delay_10us(100);
SMG_A_DP_PORT=0x00; //消隐
}
}
3.2.4 I2C读写字节函数
3.2.4.1 iic.h
#ifndef _iic_H
#define _iic_H
#include "public.h"
//定义管脚
sbit IIC_SCL=P2^1;
sbit IIC_SDA=P2^0;
//iic协议层的函数
//1、起始信号
void iic_start();
//2、停止信号
void iic_stop();
//3、应答
void iic_ack();
//4、非应答
void iic_nack();
//5、等待应答
u8 iic_wait_ack();
//6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack);
//7、写字节
void iic_write_byte(u8 dat);
#endif
3.2.4.2 iic.c
#include "iic.h"
//iic协议层的函数
//1、起始信号
void iic_start(){
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SDA=0;
// delay_10us(1); //可以加，也可以不加
IIC_SCL=0; //拉低后，就准备发送和接收数据
// delay_10us(1); //可以加，也可以不加
}
//2、停止信号
void iic_stop(){
IIC_SDA=0;
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1; //写不写都可以
}
//3、应答
void iic_ack(){
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0; //应答
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
}
//4、非应答
void iic_nack(){
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=1; //非应答
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
}
//5、等待应答，返回值为0应答；返回值为1非应答
u8 iic_wait_ack(){
u8 time_temp=0; //注意：定义变量时放在上方，否则容易出现问题
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
//意外情况，没有应答
while(IIC_SDA){ //等待IIC_SDA出现低电平
time_temp++;
if(time_temp>100){ //超时了，强制退出
iic_stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;
return 0;
}
//6、读字节
u8 iic_read_byte(u8 ack){
u8 i=0,receive=0;
for(i=0;i<8;i++){
IIC_SCL=0;
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(IIC_SDA==1){
receive++;
}
delay_10us(1);
}
//注意：看看测试时和案例是否一样（没有区别）
if(!ack){
iic_ack();
}else{
iic_nack();
}
return receive;
}
//7、写字节
void iic_write_byte(u8 dat){
u8 i=0;
IIC_SCL=0; //为0时，数据可以改变
//循环8次，将一个字节传出去
//要求：先传高位，再传低位
for(i=0;i<8;i++){
if((dat&0x80)>0){
IIC_SDA=1;
}else{
IIC_SDA=0;
}
dat<<=1; //把次高位变为最高位
delay_10us(1);
IIC_SCL=1;
delay_10us(1);
IIC_SCL=0;
delay_10us(1);
}
}
3.2.5 AT24C02读写字节函数
3.2.5.1 at24c02.h
#ifndef _at24c02_H
#define _at24c02_H
#include "public.h"
#include "iic.h"
//写入数据函数
void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat);
//读数据函数
u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr);
#endif
3.2.5.2 at24c02.c
#include "at24c02.h"
//写
void at24c02_write_one_byte(u8 addr,u8 dat){ //addr：at24c02的地址
iic_start();
iic_write_byte(0xa0); //1010 0000
iic_wait_ack();
iic_write_byte(addr); //指定地址
iic_wait_ack();
iic_write_byte(dat);
iic_wait_ack();
iic_stop();
delay_ms(10);
}
//读
u8 at24c02_read_one_byte(u8 addr){ //addr：at24c02的数据地址
u8 temp=0;
iic_start();
iic_write_byte(0xa0);
iic_wait_ack();
iic_write_byte(addr); //指定地址
iic_wait_ack();
iic_start();
iic_write_byte(0xa1);
iic_wait_ack();
temp=iic_read_byte(1); //读时从当前地址开始读
iic_stop();
return temp;
}
3.2.6 main.c
#include "public.h"
#include "smg.h"
#include "key.h"
#include "iic.h"
#include "at24c02.h"
#define EEPROM_ADDRESS 0 //不超过255即可
/*
系统运行时，数码管右3位显示0
按K1键将数据写入到EEPROM内保存
按K2键读取EEPROM内保存的数据
按K3键显示数据加1，最大能写入的数据是255（0-255）
按K4键显示数据清零
*/
void main(){
u8 key_temp=0;
u8 save_value=0; //可以不设为0
u8 save_buff[3];
while(1){
key_temp=key_scan(0);
if(key_temp==1){ //保存数据（写）
at24c02_write_one_byte(EEPROM_ADDRESS,save_value);
}else if(key_temp==2){ //读取数据
save_value=at24c02_read_one_byte(EEPROM_ADDRESS);
}else if(key_temp==3){ //数据+1
save_value++;
if(save_value==255){
save_value=255;
}
}else if(key_temp==4){ //数据清零
save_value=0;
}
//save_value是一个十进制的值
//让数码管显示数据，需要得到save_value个位、十位和百位的值
save_buff[0]=save_value/100; //百位
save_buff[1]=save_value/10%10; //十位
save_buff[2]=save_value%10; //个位
smg_display(save_buff,6);
}
}