STM32入门开发: 介绍IIC总线、读写AT24C02(EEPROM)(采用模拟时序)
一、环境介绍
编程软件: keil5
操作系统: win10
MCU型号: STM32F103ZET6
STM32编程方式: 寄存器开发 (方便程序移植到其他单片机)
IIC总线: STM32本身支持IIC硬件时序的，本文采用的是模拟时序，下篇文章就介绍配置STM32的IIC硬件时序读写AT24C02和AT24C08。
模拟时序更加方便移植到其他单片机，通用性更高，不分MCU；硬件时序效率更高，单每个MCU配置方法不同，依赖硬件本身支持。
目前器件： 采用AT24C02 EEPROM存储芯片
二、AT24C02存储芯片介绍
2.1 芯片功能特性介绍
AT24C02 是串行CMOS类型的EEPROM存储芯片，AT24C0x这个系列包含了AT24C01、AT24C02、AT24C04、AT24C08、AT24C16这些具体的芯片型号。
他们容量分别是：1K (128 x 8)、2K (256 x 8)、4K (512 x 8)、8K (1024 x 8)、16K (2048 x 8) ，其中的8表示8位(bit)
它们的管脚功能、封装特点如下：
芯片功能描述：
AT24C02系列支持I2C，总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器；数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以组成000~111八种情况，即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上，通过进行不同的配置进行选择器件。
芯片特性介绍：
1. 低压和标准电压运行
–2.7（VCC=2.7伏至5.5伏）
–1.8（VCC=1.8伏至5.5伏）
2. 两线串行接口(SDA、SCL)
3. 有用于硬件数据保护的写保护引脚
4. 自定时写入周期(5毫秒~10毫秒),因为内部有页缓冲区,向AT24C0x写入数据之后,还需要等待AT24C0x将缓冲区数据写入到内部EEPROM区域.
5. 数据保存可达100年
6. 100万次擦写周期
7. 高数据传送速率为400KHz、低速100KHZ和IIC总线兼容。 100 kHz（1.8V）和400 kHz（2.7V、5V）
8. 8字节页写缓冲区
这个缓冲区大小与芯片具体型号有关: 8字节页（1K、2K）、16字节页（4K、8K、16K）
2.2 芯片设备地址介绍
IIC设备的标准地址位是7位。上面这个图里AT24C02的1010是芯片内部固定值，A2 、A1、 A0是硬件引脚、由硬件决定电平；最后一位是读/写位(1是读，0是写)，读写位不算在地址位里，但是根据IIC的时序顺序，在操作设备前，都需要先发送7位地址，再发送1位读写位，才能启动对芯片的操作，我们在写模拟时序为了方便统一写for循环，按字节发送，所以一般都是将7地址位与1位读写位拼在一起，组合成1个字节，方便按字节传输数据。
我现在使用的开发板上AT24C02的原理图是这样的：
那么这个AT24C02的标准设备地址就是: 0x50(十六进制)，对应的二进制就是: 1010000
如果将读写位组合在一起，读权限的设备地址: 0xA1 (10100001) 、写权限的设备地址: 0xA0 (10100000)
2.3 对AT24C02 按字节写数据的指令流程(时序)
详细解释：
1. 先发送起始信号
2. 发送设备地址(写权限)
3. 等待AT24C02应答、低电平有效
4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~255)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来的数据改存储到哪个地方。
5. 等待AT24C02应答、低电平有效
6. 发送一个字节的数据，这个数据就是想存储到AT24C02里保存的数据。
7. 等待AT24C02应答、低电平有效
8. 发送停止信号
2.3 对AT24C02 按页写数据的指令流程(时序)
详细解释：
1. 先发送起始信号
2. 发送设备地址(写权限)
3. 等待AT24C02应答、低电平有效
4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~255)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来的数据改存储到哪个地方。
5. 等待AT24C02应答、低电平有效
6. 可以循环发送8个字节的数据，这些数据就是想存储到AT24C02里保存的数据。
AT24C02的页缓冲区是8个字节，所有这里的循环最多也只能发送8个字节，多发送的字节会将前面的覆盖掉。
需要注意的地方: 这个页缓冲区的寻址也是从0开始，比如: 0~7算第1页，8~15算第2页......依次类推。 如果现在写数据的起始地址是3，那么这一页只剩下5个字节可以写；并不是说从哪里都可以循环写8个字节。
详细流程: 这里程序里一般使用for循环实现
(1). 发送字节1
(2). 等待AT24C02应答,低电平有效
(3). 发送字节2
(4). 等待AT24C02应答,低电平有效
.........
最多8次.
7. 等待AT24C02应答、低电平有效
8. 发送停止信号
2.4 从AT24C02任意地址读任意字节数据(时序)
AT24C02支持当前地址读、任意地址读，最常用的还是任意地址读，因为可以指定读取数据的地址，比较灵活，上面这个指定时序图就是任意地址读。
详细解释：
1. 先发送起始信号
2. 发送设备地址(写权限)
3. 等待AT24C02应答、低电平有效
4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~255)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来应该返回那个地址的数据给单片机。
5. 等待AT24C02应答、低电平有效
6. 重新发送起始信号(切换读写模式)
7. 发送设备地址(读权限)
8. 等待AT24C02应答、低电平有效
9. 循环读取数据: 接收AT24C02返回的数据.
读数据没有字节限制，可以第1个字节、也可以连续将整个芯片读完。
10. 发送非应答(高电平有效)
11. 发送停止信号
三、IIC总线介绍
2.1 IIC总线简介
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。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规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
I2C 总线通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。
I2C有四种工作模式:
1.主机发送
2.主机接收
3.从机发送
4.从机接收
I2C总线只用两根线：串行数据SDA（Serial Data）、串行时钟SCL（Serial Clock）。
总线必须由主机（通常为微控制器）控制，主机产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。
SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变。
2.2 IIC总线上的设备连接图
I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。
其中上拉电阻范围是4.7K~100K。
2.3 I2C总线特征
I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个从设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)。主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。
1. 总线上能挂接的器件数量
I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址的限制。
一般I2C设备地址是7位地址（也有10位），地址分成两部分：芯片固化地址（生产芯片时候哪些接地，哪些接电源，已经固定），可编程地址（引出IO口，由硬件设备决定）。
例如： 某一个器件是7 位地址，其中10101 xxx 高4位出厂时候固定了，低3位可以由设计者决定。
则一条I2C总线上只能挂该种器件最少8个。
如果7位地址都可以编程，那理论上就可以达到128个器件，但实际中不会挂载这么多。
2. 总线速度传输速度：
I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整。
3. 总线数据长度
I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。
2.4 I2C总线协议基本时序信号
空闲状态：SCL和SDA都保持着高电平。
起始条件：总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平期间而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线。
停止条件：当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。
答应信号：每个字节传输完成后的下一个时钟信号，在SCL高电平期间，SDA为低，则表示一个应答信号。
非答应信号：每个字节传输完成后的下一个时钟信号，在SCL高电平期间，SDA为高，则表示一个应答信号。应答信号或非应答信号是由接收器发出的，发送器则是检测这个信号（发送器，接收器可以从设备也可以主设备）。
注意：起始和结束信号总是由主设备产生。
2.5 起始信号与停止信号
起始信号就是: 时钟线SCL处于高电平的时候，数据线SDA由高电平变为低电平的过程。SCL=1;SDA=1;SDA=0;
停止信号就是: 时钟线SCL处于低电平的时候, 数据线SDA由低电平变为高电平的过程。SCL=1;SDA=0;SDA=1;
2.6 应答信号
数据位的第9位就时应答位。 读取应答位的流程和读取数据位是一样的。示例: SCL=0;SCL=1;ACK=SDA; 这个ACK就是读取的应答状态。
2.7 数据位传输时序
通过时序图了解到，SCL处于高电平的时候数据稳定，SCL处于低电平的时候数据不稳定。
那么对于写一位数据(STM32--->AT24C02): SCL=0;SDA=data; SCL=1;
那么对于读一位数据(STM32<-----AT24C02): SCL=0;SCL=1;data=SDA;
2.8 总线时序
四、IIC总线时序代码、AT24C02读写代码
在调试IIC模拟时序的时候，可以在淘宝上买一个24M的USB逻辑分析仪，时序出现问题，使用逻辑分析仪一分析就可以快速找到问题。
4.1 iic.c 这是IIC模拟时序完整代码
#include "iic.h"
/*
函数功能：IIC接口初始化
硬件连接：
SDA：PB7
SCL：PB6
*/
void IIC_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3;//PB
GPIOB->CRL&=0x00FFFFFF;
GPIOB->CRL|=0x33000000;
GPIOB->ODR|=0x3<<6;
}
/*
函数功能：IIC总线起始信号
*/
void IIC_Start(void)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高
IIC_SCL=1; //时钟线拉高
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SCL=0; //时钟线拉低
}
/*
函数功能：IIC总线停止信号
*/
void IIC_Stop(void)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低
IIC_SCL=0; //时钟线拉低
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SCL=1; //时钟线拉高
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高
}
/*
函数功能：获取应答信号
返 回 值：1表示失败，0表示成功
*/
u8 IIC_GetACK(void)
{
u8 cnt=0;
IIC_SDA_INPUTMODE();//初始化SDA为输入模式
IIC_SDA_OUT=1; //数据线上拉
DelayUs(2); //电平保持时间
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要数据
DelayUs(2); //电平保持时间，等待从机发送数据
IIC_SCL=1; //时钟线拉高，告诉从机，主机现在开始读取数据
while(IIC_SDA_IN) //等待从机应答信号
{
cnt++;
if(cnt>250)return 1;
}
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要数据
return 0;
}
/*
函数功能：主机向从机发送应答信号
函数形参：0表示应答，1表示非应答
*/
void IIC_SendACK(u8 stat)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要发送数据
if(stat)IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高，发送非应答信号
else IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低，发送应答信号
DelayUs(2); //电平保持时间，等待时钟线稳定
IIC_SCL=1; //时钟线拉高，告诉从机，主机数据发送完毕
DelayUs(2); //电平保持时间，等待从机接收数据
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要数据
}
/*
函数功能：IIC发送1个字节数据
函数形参：将要发送的数据
*/
void IIC_WriteOneByteData(u8 data)
{
u8 i;
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要发送数据
for(i=0;i<8;i++)
{
if(data&0x80)IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高，发送1
else IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低，发送0
IIC_SCL=1; //时钟线拉高，告诉从机，主机数据发送完毕
DelayUs(2); //电平保持时间，等待从机接收数据
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要发送数据
DelayUs(2); //电平保持时间，等待时钟线稳定
data<<=1; //先发高位
}
}
/*
函数功能：IIC接收1个字节数据
返 回 值：收到的数据
*/
u8 IIC_ReadOneByteData(void)
{
u8 i,data;
IIC_SDA_INPUTMODE();//初始化SDA为输入模式
for(i=0;i<8;i++)
{
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要数据
DelayUs(2); //电平保持时间，等待从机发送数据
IIC_SCL=1; //时钟线拉高，告诉从机，主机现在正在读取数据
data<<=1;
if(IIC_SDA_IN)data|=0x01;
DelayUs(2); //电平保持时间，等待时钟线稳定
}
IIC_SCL=0; //时钟线拉低，告诉从机，主机需要数据 (必须拉低，否则将会识别为停止信号)
return data;
}
4.2 AT24C02.c 这是AT24C02完整的读写代码
#include "at24c02.h"
/*
函数功能：检查AT24C02是否存在
返 回 值：1表示失败，0表示成功
*/
u8 At24c02Check(void)
{
u8 data;
At24c02WriteOneByteData(255,0xAA);
data=At24c02ReadOneByteData(255);
if(data==0xAA)return 0;
else return 1;
}
/*
函数功能：AT24C02随机读数据
函数形参：读取的地址(0~255)
返 回 值：读出一个数据
*/
u8 At24c02ReadOneByteData(u32 addr)
{
u8 data;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置读取数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
data=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
return data;
}
/*
函数功能：AT24C02写一个字节的数据
函数形参：
addr:写入的地址(0~255)
data:写入的数据
*/
void At24c02WriteOneByteData(u32 addr,u8 data)
{
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置写入数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(data); //设置写入的数据
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Stop(); //停止信号
DelayMs(10); //等待写入完毕
}
/*
函数 功 能：AT24C02当前位置读一个字节数据
函数返回值：读出的数据
*/
u8 At24c02CurrentAddrReadOneByteData(void)
{
u8 data;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
data=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
return data;
}
/*
函数功能：AT24C02连续读数据
函数形参：
u8 addr //读取的地址(0~255)
u8 len //读取的长度
u8 *buff //读出的数据存放缓冲区
*/
void At24c02ReadByteData(u32 addr,u8 len,u8 *buff)
{
u8 i;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置读取数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
for(i=0;i<len;i++)
{
buff[i]=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(0); //发送应答信号
}
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
}
/*
函数功能：AT24C02页写
函数形参：
addr:写入的地址(0~255)
*data:写入的数据缓冲区
len :写入的长度
1. 页写的缓冲区大小是8个字节，一次最多写8个字节进去。
2. 页写的地址是固定的。
0~7 是第一页
8~15是第二页
*/
void At24c02PageWrite(u32 addr,u8 *data,u8 len)
{
u8 i;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置写入数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
for(i=0;i<len;i++)
{
IIC_WriteOneByteData(data[i]); //设置写入的数据
IIC_GetACK();//获取应答
}
IIC_Stop(); //停止信号
DelayMs(10); //等待写入完毕
}
void AT24C02_WriteData(u32 addr,u8 *data,u8 len)
{
u32 page_remain=8-addr%8; //一页剩余的字节数量
if(page_remain>=len)
{
page_remain=len;
}
while(1)
{
At24c02PageWrite(addr,data,page_remain);
if(page_remain==len)
{
break;
}
addr+=page_remain;
data+=page_remain;
len-=page_remain;
if(len>=8)page_remain=8;
else page_remain=len;
}
}
湘公网安备 43102202000103号