微控制器學習（十一）I2C匯流排和AT24C02的使用

CodeReaper發表於2021-09-08

目錄

一、 儲存器介紹

儲存器分類圖

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1. RAM

這類儲存器中的資料都是掉電即失的，例如計算機中的記憶體就是DRAM，但它們資料讀寫速度都是要比ROM要快得多的。

  • SRAM：本質是電路，使用電路構成的觸發器來儲存資料（如JK觸發器），因此這種儲存器讀寫資料是最快的，而它們的成本也比較高，一般用作計算機的高速儲存器，暫存器等
  • DRAM：使用電容來儲存資料，因為電容存在漏電現象，因此需要每隔一段時間進行掃描重新充電。它們一般用來構成計算機的記憶體，手機的快閃記憶體等。

2. ROM

這類儲存器中的資料有著掉電不丟失的特性，但它們讀寫資料的速度遠小於RAM

  • Mask ROM：僅由電路構成，只讀的ROM，就是隻可讀不可寫
  • PROM：可以寫入資料，但只能寫入一次資料
  • EPROM：可讀可寫
  • ...

二、AT24C02簡介

AT24C02是一種可以實現掉電不丟失的儲存器，可用於儲存微控制器執行時想要永久儲存的資料資訊

  • 儲存介質：E2PROM
  • 通訊介面：I2C匯流排
  • 容量：256位元組

電路連線

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三、I2C匯流排和AT24C02資料幀

I2C匯流排（Inter IC BUS）是由Philips公司開發的一種通用資料匯流排（通訊協議）

  • 兩根通訊線：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）
  • 同步、半雙工，帶資料應答
  • 通用的I2C匯流排，可以使各種裝置的通訊標準統一，對於廠家來說，使用成熟的方案可以縮短晶片設計週期、提高穩定性，對於應用者來說，使用通用的通訊協議可以避免學習各種各樣的自定義協議，降低了學習和應用的難度

1. 電路規範

  • 所有I2C裝置的SCL連在一起，SDA連在一起
  • 裝置的SCL和SDA均要配置成開漏輸出模式
  • SCL和SDA各新增一個上拉電阻，阻值一般為4.7KΩ左右
  • 開漏輸出和上拉電阻的共同作用實現了“線與”的功能，此設計主要是為了解決多機通訊互相干擾的問題

2. I2C的時序結構

我們可以將通過I2C協議實現主機與從機通訊的過程分為以下六個部分，這六個部分可以像拼圖一樣拼湊出所有的通訊過程：

2.1 傳送起始資訊

起始條件：SCL高電平期間，SDA從高電平切換到低電平，如下圖所示：

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同時為了使這塊拼圖可以和其他的部分連線上，我們在傳送起始資訊（start）之後，也將SCL拉低。

2.2 傳送終止資訊

終止條件：SCL高電平期間，SDA從低電平切換到高電平

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同理，為了和其他拼圖拼接上，我們得到的SCL原來是低電平的（這是因為後面的4塊拼圖結束時SCL都是低電平，因此來到終止資訊時也是低電平），我們先拉高SCL，然後拉高SDA即可傳送終止訊號了。

2.3 傳送一個byte的資訊

傳送一個byte（位元組）資訊可以分解為迴圈傳送8個bit 的資訊，因此我們只需要知道如何傳送一個bit的資訊即可。

傳送一個bit資訊的操作：(1)SCL低電平期間，主機將資料位依次放到SDA線上（高位在前），(2)然後拉高SCL，從機將在SCL高電平期間讀取資料位，所以SCL高電平期間SDA不允許有資料變化

即如果我們希望傳送0，則：

  1. 在SCL在低電平時，將SDA的電平拉低（置零）
  2. 再將SCL的電平拉高，提醒從機讀取資訊
  3. 過一段時間（等待從機把資訊讀取完成）後再次將SCL拉低

具體的過程如圖所示：

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例如在B7時間內，如果SDA為低電平，則傳送的資料為0，如果為高電平則傳送的資料為1

2.4 接收一個byte的資訊

和傳送資訊類似，我們只需要知道如何接收一個bit的資訊，然後只需要迴圈進行8次即可接收一個位元組的資訊了。

接收一個bit資訊的操作：(1)SCL低電平期間，從機將資料位依次放到SDA線上（高位在前），(2)然後拉高SCL(相當於通知從機主機正在讀取這個bit的資料)，主機將在SCL高電平期間讀取資料位，所以SCL高電平期間SDA不允許有資料變化。（主機在接收之前，需要釋放SDA）

具體的過程如圖所示：

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這個過程我個人的理解是：

  1. 釋放SDA（拉高電平），將寫入資料的主動權交給從機
  2. 從機寫入下一位bit到SDA中
  3. 主機拉高SCL，提示從機我正在讀取這個bit的資料，你先不要變化
  4. 主機讀取完資料，將SCL拉低，實際上這個過程是在告訴從機我已經讀完這個bit了，你給我下一個bit的資料吧，然後如果還未滿8位則轉到第2步繼續接受資料，如果滿了一個位元組則接收結束

對比傳送資料和接收資料可以發現，這兩個過程非常的相似，只不過(1)傳送資訊時寫入資訊的一方是主機，而接收資訊時寫入資料的是從機，(2)傳送資訊時拉高和拉低SCL電平是通知從機讀取資訊，而在接收資訊時則是通知從機主機當前正在讀取資訊。

可以發現單從開始時的SCL和SDA的狀態是無法區分主機是想傳送還是接收資訊的，其實接收資料還是傳送資料是由後面的時序過程（資料幀）所決定的，不需要起始狀態進行區分。

2.5 傳送應答

在接收完一個位元組之後，主機在下一個時鐘傳送一位資料，資料0表示應答，資料1表示非應答

其實傳送應答的操作就是傳送一個bit的操作而已：

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2.6 接收應答

在傳送完一個位元組之後，主機在下一個時鐘接收一位資料，判斷從機是否應答，資料0表示應答，資料1表示非應答（主機在接收之前，需要釋放SDA）

和傳送應答類似，接收應答的操作也就是接收一個bit資料的操作。

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3. I2C資料幀

3.1 傳送一幀資料

其過程是（過程中的接收應答省略不寫了）：

  1. 傳送一個開始訊號
  2. 傳送從機地址（加上寫入標記，最後一位為0）
  3. 迴圈傳送位元組資料
  4. 傳送完後傳送結束訊號
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3.2 接收一幀資料

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過程和傳送一幀資料的過程非常類似，只是中間的傳送位元組資料變成了接收位元組資料，此外還有地址部分的最後一位為1，代表讀取資料。

3.3 先傳送後接收資料

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4. AT24C02資料幀

AT24C02是使用I2C通訊協議進行通訊的，I2C資料幀相當於是一輛卡車，而AT24C02資料幀則是在原來卡車的基礎上裝上了特定貨物的卡車。

4.1 位元組寫

在WORD ADDRESS處寫入資料DATA

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4.2 隨機讀

讀出在WORD ADDRESS處的資料DATA

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AT24C02的固定地址為1010，可配置地址本開發板上為000，所以SLAVE ADDRESS+W為0xA0，SLAVE ADDRESS+R為0xA1

四、程式碼實現

1. I2C模組

實現I2C模組，即實現上面介紹的6塊拼圖。

首先定義出SCL和SDA連線的引腳：

sbit I2C_SCL = P2 ^ 1;
sbit I2C_SDA = P2 ^ 0;

1.1 傳送起始資訊和傳送終止資訊

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void I2C_Start() {
    I2C_SDA = 1;
    I2C_SCL = 1;
    // 在SCL為高電平拉低SDA
    I2C_SDA = 0;
    I2C_SCL = 0;
}

void I2C_Stop() {
    I2C_SDA = 0;
    // 在SCL為高電平時拉高SDA
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SDA = 1;
}

1.2 傳送位元組資訊和接收位元組資訊

image-20210908153940500 image-20210908155949532 
void I2C_SendByte(unsigned char byte) {
    unsigned char i = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 先將一個bit的資料寫入到SDA中
        I2C_SDA = byte & (0x80 >> i);
        // SCL先拉高，後拉低，通知從機接收資料
        I2C_SCL = 1;
        I2C_SCL = 0;
    }
}

unsigned char I2C_ReceiveByte() {
    unsigned char byte = 0x00;
    unsigned char i;
    // 先釋放SDA（將主動權交給從機）
    I2C_SDA = 1;

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 通知從機主機正在讀取資料
        I2C_SCL = 1;
        // 如果是1則置一，否則預設為0
        if (I2C_SDA) {
            byte |= (0x80 >> i);
        }
        // 通知從機這個bit已經讀取完畢，可以傳送下一個bit
        I2C_SCL = 0;
    }
    return byte;
}

1.3 傳送應答和接收應答

void I2C_SendAck(unsigned char AckBit) {
    I2C_SDA = AckBit;
    // SCL先拉高，後拉低，通知從機接收資料
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SCL = 0;
}

unsigned char I2C_ReceiveAck() {
    unsigned char AckBit;
    // 先釋放SDA（將主動權交給從機）
    I2C_SDA = 1;
    // 通知從機主機正在讀取資料
    I2C_SCL = 1;
    AckBit = I2C_SDA;
    // 通知從機這個bit已經讀取完畢
    I2C_SCL = 0;
    return AckBit;
}

2. AT24C02模組

這個模組依賴於I2C模組，即利用I2C傳送和接收資料。

首先定義從機地址：

// 最後一位為0代表寫，即傳送資料，為1代表讀，即接受資料
#define AT24C02_ADDRESS 0xA0

2.1 位元組寫

前面已經提到，AT24C02可以儲存256個位元組的資料，因此我們的資料可以任意0~255號地址的空間進行儲存：

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void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Byte) {
    I2C_Start();
    // 從機地址
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
    I2C_ReceiveAck();
    // 字地址
    I2C_SendByte(WordAddress);
    I2C_ReceiveAck();
    // 傳送真正的資料
    I2C_SendByte(Byte);
    I2C_ReceiveAck();

    I2C_Stop();
}

2.2 隨機讀

讀取WordAddress地址中儲存的位元組資訊：

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unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress) {
    unsigned char Byte;
    I2C_Start();
    // 從機地址
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
    I2C_ReceiveAck();
    // 字地址
    I2C_SendByte(WordAddress);
    I2C_ReceiveAck();

    I2C_Start();
    // 從機地址，read模式
    I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS|0x01);
    I2C_ReceiveAck();
    // 讀取資訊
    Byte = I2C_ReceiveByte();
    I2C_SendAck(1);
    
    I2C_Stop();
    return Byte;
}

3. 使用AT24C02進行資料儲存

我們使用LCD_1602進行顯示，第二行顯示num數字，當我們單擊按鈕時：

  • 點選k1，num--
  • 點選k2，num++
  • 點選k3，將num的資料儲存到AT24C02中地址為1的空間中
void main() {
    unsigned char key, num;
    unsigned char storageData;
    LCD_Init();
    LCD_ShowString(1, 1, "Hello world");
    LCD_ShowString(2, 1, "num:");
    storageData = AT24C02_ReadByte(1);
    num = storageData;
    LCD_ShowNum(2, 5, storageData, 3);

    Timer0_Init();

    while (1) {
        key = Key();
        if (key) {
            switch (key) {
                case 1:
                    num--;
                    break;
                case 2:
                    num++;
                    break;
                case 3:
                    AT24C02_WriteByte(1, num);
                    break;
            }
        }
        LCD_ShowNum(2, 5, num, 3);
    }
}

void Timer0_Routine() interrupt 1 {
    static unsigned int T0Count..;
    TL0 = 0x18;//設定定時初值
    TH0 = 0xFC;//設定定時初值
    T0Count++;
    if (T0Count >= 20) {
        T0Count = 0;
        Key_Loop();//每20ms呼叫一次按鍵驅動函式
    }
}

這樣我們每次重啟時就可以看到上次儲存的數字了。

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