第12/15原创：事无巨细，IIC总线协议与AT24C02

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第12/15原创：事无巨细，IIC总线协议与AT24C02 [复制链接]

事无巨细，IIC协议与EEPROM 24C02

在前面的一系列文章中，我们从最简单的开发环境开始到上一节的片外DAC的使用为止，算是AVR单片机中比较简单但是绝对是比较全面的内容了。如果你能够独立掌握了前面的这些内容，我们现在可以开始进入CEPARK AVR开发板上最后的三个最难的内容：存储芯片AT24C02的IIC总线协议，时钟芯片DS1302的SPI总线协议，还有温度传感器DS18B20的单总线协议。
今天我们来讲存储芯片AT24C02的IIC总线协议。（也称I^2 C总线协议）
IIC的概念：
IIC，英文全称为Inter－Integrated Circuit，即内置集成电路。所以IIC总线协议，就是指内置集成电路总线协议。我理解为集成电路直接用以数据传输的线路。
IIC的发展：
IIC总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。
IIC的特点：
IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上而且只有两根信号线，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
IIC总线操作方法：
IIC总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。笔者分别配合时序图来说明：
1、开始信号与结束信号：

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
一定要注意时序的精准性！这两个信号成功的关键是：
① 在SDA的整个变化期间，SCL是一直保持稳定的高电平的。SCL监视SDA的整个变化而不只是开始信号中的负跳变或者结束信号的正跳变。
② 要注意到IIC总线的传输速度为Kbps级，而AVR单片机工作频率为Mbps级，所以必不可少的要用us级延时函数_delay_us()将单片机速度降下来配合IIC时序。
2、应答信号

首先要知道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。如上应答信号时序，SCL线为主机（微控制器）控制，DATA IN表示从机接受数据情况，DATA OUT表示从机发送数据情况。如图可见，在START信号之后，从器件在8个时钟脉冲的控制下接受数据，在此期间从机并未发出任何信号！而在第9个时钟期间，从机将SDA线拉低表示应答。
所以，应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。
关于SDA上的数据变化

如上图所见，当SCL为高电平时要求DATA STABLE即数据稳定，而在SCL低电平时才可以DATA CHANGE即数据改变。所以IIC总线协议要求只有在SCL为低电平是SDA上的数据才可以改变。因为若SCL处于高电平期间，SDA上的电平无论发生上升沿还是下降沿，都会被识别为一次开始或结束信号。
4、字节传输时序

上时序是一个个完整的IIC字节写周期，有左往右，起始信号之后：
如果是写字节，前8个时钟周期中的SCL上升沿将数据写入数据接收方，接着在第九个周期数据接收方发出应答信号；
而如果是读字节，前8个时钟周期中的SCL上升沿将数据从数据发送方读出到SDA线上，并且数据接收方在第九个周期选择发送怎样的应答信息到SDA线上；
如果使用中断方式的IIC，要把上图中的英文字看明白。
CEPARK AVR开发板上集成了Two-wire Serial EEPROM 24C02，全面兼容IIC协议，具有256X8 bit存储空间，也就是2k位（注意是2K位不是2K字节）。我们来看看CEPARK AVR 开发板的AT24C02模块原理图：

看上图，
A0、A1、A2三个引脚为AT24C02的硬件地址线，根据引脚上的电平决定当前器件的硬件地址。
WP为AT24C02的写保护引脚，当该引脚为高电平时，器件只读不写。
SCL、SDA分别为器件的IIC协议接口。
注意到SCL和SDA分别接了两个10K上拉电阻，我想重点讲讲这两个上拉的作用。
我们有上面的几个时序可以看到，IIC传输的基本模式是“起始信号——数据传输——应答——结束”，那么要在我们的AVR Mega16上应用，毫无疑问，连接SDA的IO口要适当的在输出口和输入口两个状态间改变。这样就显得比较繁琐。然而我们可以巧妙地利用IO口的原理和这两个上拉电阻。听我说来：
首先，AVR单片机的IO口具有三态输出，高电平，低电平，高阻态。无论你水平多低，至少肯定知道前面两个。什么是高阻态呢？就是电阻无限大，你可以想象IO内部连接了一个无限大的电阻，对外表现近似开路；
其次，我们还知道器件的IO口一般都具有线与的关系，即有“0”得“0”；
好了，知道以上两条就够了。SCL和SDA两条线，具体说来一共就是五种操作：SCL拉高、SCL置低、SDA输出高、SDA输出低、还有SDA设置为输入口,来看程序怎么做：
PORTx=0x00;//先把PORTx寄存器永远配置为0，不再改变
DDRx=0xff;//IO设置为输出口，则IO输出低电平
DDRx=0x00;//IO设置为输入口，而此时IO输出高电平
前面两句应该很容易理解，但是第三句为什么将IO设置为输入口会使IO输出高电平呢？
其实此处的“将IO设置为输入口”，并不是指我们真的将要读取数据，刚才说明的“首先…..”道出了缘由：当IO设置为PORTx=0；DDRx=0；时，IO口对外呈现高阻态，近似开路。所以外部电路其实是通过10K的上拉电阻接在了5V电源上，把IO“拉”成了高电平。所以我们若要IO输出高电平，即将其设置为高阻态就可以了。
当IO用确切做输入口的时候，上拉确实是把IO拉成了高电平，会不会影响数据读取呢？看到上面强调的“即有’0’得’0’”，明白了么？电路被电源拉成了高电平，但是线路上最终的电平状态还是取决于IIC器件发出的数据“是否有0”。所以外部上拉并不会影响IO做输入状态用。
所以我们只需要用三句程序，就可以借助外部上拉完成IIC的五个操作。即（SCL拉高、SCL置低、SDA输出高、SDA输出低、还有SDA设置为输入口）
AT24C02的读写时序完全遵循标准的IIC读写时序，但是我们接下来还要了解AT24C02的器件操作方法：

上图为AT24C系列的地址寄存器，AT24C02具有2K bit，所以看到第一行。我们看到写地址寄存器的数据，最高位MSB永远是1，高四位为固定值，接下来A2,A1,A0就是前面说到的器件硬件地址，如果你写(A2,A1,A0)=(0,0,0)就对应到器件此三个引脚都接到地的那个器件。
最低位LSB是读写命令位，如果为1则表示“将要对这个器件进行‘读’操作”，反之为“写”。

这个是AT24C02的字节写时序，很清晰，由左到右（我写中文）：
“起始信号——指定器件（写）——从器件应答——再写存储器内部空间地址——从器件应答——写数据到指定器件指定存储地址——从器件应答——结束信号”
注意：
MSB指最高位，LSB指最低位，上图看出数据传输都是从最高位开始；
R/W表示低电平为“写”（Write）高电平为读“Read”；
AT24C02的存储空间是2K bit，即256个字节。所以存储器寻址空间为0~255（0x00~0xff），上图的星号所以表示不需要第九位数据来寻址（但是更大容量器件就需要）；

上图是AT24C02随机地址读时序，就是任意指定一个地址位置读出数据：
“起始信号——器件地址（写）——应答——指定存储空间地址——应答——起始信号——器件地址（读）——应答——读出数据——不需要应答——结束信号”
同样：
我们看到，随机读时序还是以写器件的硬件地址和存储空间地址为前提；
注意后一个器件地址，末位为“读”命令；
读出的数据仍然是高位MSB开始
读取完之后，数据读取方（也就是AVR单片机）并不需要产生应答信号
上述就是笔者的程序用到的两个时序，实现了“对AT24C02的任意地址写，并再从任意地址读”的功能。本来，存储器嘛，不是读就是写咯。以下附上详细注释的源程序：
main.rar (1.37 KB, 下载次数: 315)

2010-3-27 00:13 上传

点击文件名下载附件

最后是程序注意事项：
笔者大部分地方都用了10us的延时来配合IIC的时序；
要十分注意每次IIC时序之后的SCL和SDA线的状态，最好SCL保持低电平，以免产生不必要的起始和结束信号；
主机读取应答信号时，要将IO置为输入状态，要注意DDRx的延迟效应；
要注意任意两次完整的读写之间一定要有至少10ms的延时；（我就是卡在这点上，因为根本无资料可查，当时是靠感觉才加了20ms的延迟，没想到真的是这个原因）
写在最后：其实AVR单片机是自带了IIC接口的，叫TWI。并且IDE提供了调用函数，某种程度上来说用起来也许更为方便。但是此处仍然用IO口模拟IICj接口的方法，是觉得这样更能够掌握到IIC的底层协议，更有助于对IIC协议的理解。仁者见仁吧！
希望能给有需要的朋友一点帮助

tiankai001

继续努力啊，这个系列很不错呢，期待着

ox000008

写得很不错，不过实现起来还是不简单啊，，，

zhoushengqzyz

能请教一些关于IIC的问题吗，加我QQ373636014，谢谢了。

zhaojun_xf

写得非常好，详细，值得学习！！！！

拿得起铁

如果是写字节，前8个时钟周期中的SCL上升沿将数据写入数据接收方
　请问ＬＺ是怎么知道上升沿有效的，我看了ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ好多遍　没发现是哪里有说这个　只看见说一个脉冲有效

拿得起铁

应该是上升沿写下降沿读才对，之前看的周立功的中文没有说明　　还是看英文　SERIAL CLOCK (SCL): The SCL input is used to positive edge clock data into each
EEPROM device and negative edge clock data out of each device

拿得起铁

关于AT24C02的操作,虽然很多网上的代码也能驱动,但是觉得在时钟的理解上存在很多误区。比如LZ把数据的读认为是上升沿, 是因为输出的数据在上升沿期间是稳定的 .事实上for(){CLK=0,temp=sda;clk=1}能够读出数据　　是因为在for循环的外面前一句的是clk=1；　而sda的数据是clk下降沿后产生的　即clk＝1；clk＝0；temp=sda;

tiankai001

原帖由 拿得起铁 于 2010-7-29 09:24 发表 关于AT24C02的操作,虽然很多网上的代码也能驱动,但是觉得在时钟的理解上存在很多误区。比如LZ把数据的读认为是上升沿, 是因为输出的数据在上升沿期间是稳定的 .事实上for(){CLK=0,temp=sda;clk=1}能够读出数据　　是 ...

 

个人理解：在scl为低电平期间，SDA上的数据是不稳定的，要读数据，需要等SDA上的数据稳定后才能正确读出

拿得起铁

根据datasheet,在下一个下跳沿来临之前输出的都是这个数据　　在两个下跳沿之间输出的数据是稳定的　　而两个下跳沿之间的上升沿对数据没有影响，所一在上升沿读也没关系．我现在在ＳＣＬ下跳沿后（也就是ＳＣＬ为低时候）就读数据的　没有错．　　当然具体编程是把ＳＣＬ拉高后再读，还是象我这样下降沿后不等scl拉高读好　我也不清楚哪个好．　　　还请有经验的前辈指点下．但是很多人对ＡＴ２４Ｃ０２的ＣＬＫ时序还有误解是肯定的．有些人不管上升沿下降沿只管一个时钟读取数据，写出的代码也驱动了．　　　

拿得起铁

另外ＡＴ２４Ｃ０２对读写的时序描述的不是很清楚感觉，时钟芯片ＤＳ１３０２除了没有应答信号，读写也是一个上升一个下降　跟ＡＴ２４Ｃ０２差不多．但是讲的很清楚

拿得起铁

严格按照LZ的想法写程序肯定是要出错的,在SCL=0;SDA=1;SCL=1;这样会缺一个跳变沿　只是LZ的写字节函数也并没有按照自己的想法严格的写，而是多了一个跳变沿，如下
void AT24C02_Byte_Write(uchar date)
{
        uchar n=0;
        for(n=0;n<8;n++)
        {
                if(date&0x80)                //从最高位开始写入
                        Set_SDA_high;
                else
                        Set_SDA_low;
                Set_SCL_high;                 //SCL上升沿写入数据
                delay10us;
                Set_SCL_low;                  //释放时钟线，为下一次上升沿做准备
                date<<=1;                     
                delay10us;
        }
        Set_SDA_high;                        //写完一个字节后，准备等待应答，把SDA置为输入口
        delay10us;              
        Set_SCL_high;                        //上升沿将应答读出在SDA线上
        delay10us;
        while(Read_SDA);                     //永久等待应答，直到有应答方可退出
        Set_SCL_low;                         //释放时钟线
        delay10us;
}

本来写入数据应该是ＳＣＬ＝０；ＳＤＡ＝ＴＥＭＰ；ＳＣＬ＝１才对（在上跳时锁住）　　　　大家可一试试把while(Read_SDA); 放到前面一些for循环之后，也能跳出来，因为此时其实已经到了应答的周期了

LZ很久没来了 这为前辈貌似是论坛的明星,如果有空希望帮忙研究下 严格画时序图    应正下我的想法

huaishang

写得非常好，详细，值得学习！！！！

笑溜溜

算是有点解惑了

笑溜溜

很有用

hanyan2357

受益匪浅，高手很多，新手膜拜！

huahuajiayuan

已经看到第12课了，写的挺详细的，楼主用心良苦

BINGSHUIHUO

这个系列很不错呢