51单片机中I2C读写操作

开发板：普中51-单核-A2；

I2C器件-EEPROM：AT24C02、FM24C02(仿真EEPROM);

仿真软件：proteus；

开发环境：Keil4；

参考资料：开发板所附视频；

如有错误，感谢指正。如有侵权请联系博主。

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首先需要了解I2C是什么。

1. I2C是什么

I2C是 Inter-Integrated circuit的简称，飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。

I2C具备多主机系统需要的总线裁决、高低速器件同步等功能，是一种高性能的串行总线。

串行总线用于串行通信，串行通信速率低，在数据通信吞吐量不是很大的微处理器中比较简易、方便、灵活；

并行总线用于并行通信，并行通信速度快，实时性好，但是占用的口线多，不适于小型化产品；

更多关于总线的内容可以参考：总线的定义, 并行总线和串行总线。

I2C允许相当大的工作电压，典型的电压基准为+3.3V或+5V。

I2C总线有两根双向信号线：SDA和SCL，SDA是数据线，用来传送数据；SCL是时钟线，用来传输CLK时钟信号，主设备向从设备发送。

如下所示，在I2C总线上可以连接多个器件，通常这些器件中有一个是主器件，其它的是从器件。

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址，可以通过该地址识别主机想要通信的是哪个器件。

在多主机系统中，可能同时有几个主机想要主动传送数据，为了避免混乱，I2C总线通过总线仲裁，决定由哪一台主机控制总线。

80C51单片机应用系统中，通常是以80C51为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。

I2C的模式

常用到的I2C总线以传输速率不同分为：

• 标准模式：100Kbit/s
• 低速模式：10Kbit/s
• 快速模式：400Kbit/s
• 高速模式：3.4Mbit/s

I2C的特征

I2C有如下特征：

• 串行通信：所有的数据以bit为单位在SDA线上串行传输；
• 同步通信：双方在用一个时钟下通信。同步通信的特征是通信线中有时钟信号CLK。
• 非差分：I2C速率不高，并且通信距离近，使用电平信号通信；
• 低速率：I2C通常是同一个板子上的两个IC芯片间通信，数量不大，速率低。

I2C的总线状态

I2C总线有两种状态：空闲态和忙态。

• 空闲态：没有设备发生通信，此时SDA和SCL均处于高电平状态；
• 忙态：其中一个从设备和主设备通信，I2C总线被占用，其它从设备处于等待状态；

I2C总线通过上拉电阻接正电源，这样可以保证当总线空闲时，两根线均为高电平。连接到总线上的任一器件输出低电平，都将使总线信号变低，各器件的SDA和SCL是线与的关系。

I2C数据传送

数据有效位规定

• 进行数据传送时，时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA保持稳定；
• 只有时钟线SCL为低电平时，SDA上的高低电平才允许变化；
  

起始信号和终止信号

起始信号和终止信号(由主机发出)：

• SCL为高电平期间，SDA由高电平变为低电平，表示起始信号；
• SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化，表示终止信号；

接收端将SCL拉低，可以使主机处于等待状态；接收端将SCL拉高，可以使主机工作。

起始信号产生后，总线就处于忙态(被占用)；终止信号产生后，总线处于空闲态。

字节传送与应答

• 每个字节必须保证是8位，先传送最高位MSB，每一个被传送的字节后面都必须跟随一个应答位，即一帧有9位。

• 如果从机在做其他操作等原因不能对主机寻址信号应答时，从机必须将SDA置为高电平，由主机产生终止信号结束数据传送；
• 如果从机应答了主机，但数据传送一段时间后无法再接收更多数据，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的非应答通知主机，主机则应发出终止信号结束数据的继续传送；
• 当主机接收数据，收到最后一个数据字节后，必须向从机发送结束传送信号，这个信号由对从机的非应答来实现的。然后从机释放SDA线，允许主机产生终止信号；

数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号既包括地址信号，又包括数据信号。

注：如下图中数据传送方向，阴影表示数据由主机向从机传送，无阴影部分表示数据由从机向主机发送，A表示应答(低电平)，$\overline{A}$表示非应答(高电平)，S表示起始信号，P表示终止信号。

起始信号后必须传送一个7位的从机地址+1位数据传送方向，0表示主机发送数据，1表示主机接收数据。

然后可以传送一个字节的数据，每字节数据后会收到1位应答信号，数据传送结束会收到非应答信号。

每次数据传送都是由主机产生终止信号结束。但是如果主机希望继续占用总线进行新的数据传送，可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一个从机寻址。

总线的一次数据传送中，可以有以下几种组合方式：

• 主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变；

• 主机接收从机的数据，主机发送完从机的地址后，立即从从机中读数据；

• 传送过程中需要改变方向时，其实信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位相反；

总线寻址

I2C协议规定，采用7位的寻址字节，寻址字节的位定义：

D7~D1是从机地址，D0表示数据传送方向，0表示主机向从机写数据，1表示主机由从机读数据。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。

总线信号模拟

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，使用软件实现I2C总线的数据传送，即软件和硬件结合的信号模拟。

为保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。如下。

• 起始信号需要SCL&SDA保持高电平>4.7us后，SDA由高电平到低电平>4us；

• 终止信号需要T_SCL=H&SCL=L >4us，T_{SCL=H&SDA=L->H}>4/7us；

• 应答信号需要T_SCL=H&SDA=0>4us；

• 非应答信号需要T_SCL=H&SDA=H > 4us；

数据写入

单片机写操作时，首先发送该器件的7位地址码和1位写方向位0(共1个字节，8位)，发送完后释放SDA线(拉高SDA)，并在SCL线上产生第9个时钟信号，从器件产生应答信号作为确认是自己的地址，单片机收到应答后就可以传送数据了。

传送数据时，单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址，收到应答后，主机逐个发送各数据字节，每发送一个字节都要等待应答。

当写入的数据传送完后，主机发出终止信号以结束写入操作.

写入n个字节的数据格式如下：

数据读出

单片机读操作时，首先发送该器件的7位地址码和1位写方向位0(共1个字节，8位)，发送完后释放SDA线(拉高SDA)，并在SCL线上产生第9个时钟信号，从器件产生应答信号作为确认是自己的地址。

然后再发送要读出器件的存储区的首地址，收到应答后，主机要重复一次起始信号并发出器件地址和读方向位，收到器件应答后就可以读出数据字节。

没读出一个字节，主机都要回复应答信号，当最后一个字节数据读完，主机返回非应答信号，并发出终止信号以结束读数据操作。

2. 模拟实现I2C读写数据

板子上的EEPROM是 AT24C02，其原理图如下：

实现功能：

1. 设置4个独立按键K1，K2，K3，K4，分别用于I2C写入、I2C读取、数据累加、数据清零；
2. 设置一个LCD数码管显示器，用于显示读取的数据；

原理图如下：

main.c：

#include "reg52.h"
#include "i2c.h"typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;sbit K1 = P3^1;  // K1 保存显示的数据
sbit K2 = P3^0;  // K2 读取保存的数据					   
sbit K3 = P3^2;  // K3 累加读取的数据 
sbit K4 = P3^3;  // K4 清零// 38 译码器
sbit LSA = P2^2;
sbit LSB = P2^3;
sbit LSC = P2^4;// 数码管段选数据
u8 code smgduan[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};  // 显示0~9的值
char num=0,disp[4];// 延时函数
void delay(u16 i)
{while(i--);
}// 按键处理函数
void Keypros()
{if(K1==0) // 按键按下{delay(1000);if(K1==0)  // 按键按下{AT24C02Write(1,num);  // 写入数据}while(!K1);   // 独立按键是否松开	}if(K2==0) // 按键按下{delay(1000);if(K2==0)  // 按键按下{num = (char)AT24C02Read(1);	  // 读取数据}while(!K2);   // 独立按键是否松开	}if(K3==0) // 按键按下{delay(1000);if(K3==0)  // 按键按下{num++;  // 累加if(num > 255)num=0;}while(!K3);   // 独立按键是否松开	}if(K4==0) // 按键按下{delay(1000);if(K4==0)  // 按键按下{num=0;  // 清零}while(!K4);   // 独立按键是否松开	}
}void datapros()
{// 4~0分别存储个、十、百、千位disp[0] = smgduan[num/1000];disp[1] = smgduan[num%1000/100];disp[2] = smgduan[num%1000%100/10];disp[3] = smgduan[num%1000%100%10];
}// 数码管显示
void DigDisplay()
{u8 i = 0;for(i=0; i<4; i++){switch(i){case 0:LSA = 1;LSB = 1; LSC = 1; break;  //显示第0位case 1:LSA = 0;LSB = 1; LSC = 1; break;  //显示第1位case 2:LSA = 1;LSB = 0; LSC = 1; break;  //显示第2位case 3:LSA = 0;LSB = 0; LSC = 1; break;  //显示第3位}P0 = disp[i];  // 发送段码delay(100);  // 间隔一段时间扫描P0 = 0x00;  //消隐}
}void main()
{while(1){Keypros();datapros();DigDisplay();}  
}

i2c.h：

#ifndef _I2C_H
#define _I2C_H#include <reg52.h>// 定义时钟线和数据线
sbit SCL = P2^1;
sbit SDA = P2^0;void I2CStart();
void I2CStop();
unsigned char I2CWriteByte(unsigned char dat);
unsigned char I2CReadByte();
void AT24C02Write(unsigned char addr,unsigned char dat);
unsigned char AT24C02Read(unsigned char addr);#endif

i2c.c：

#include "i2c.h"// 单片机管脚模拟时许// 延时10us
void Delay10us(void)
{unsigned char a,b;for(b=1;b>0;b--)for(a=2;a>0;a--);
}// 模拟起始信号
void I2CStart()
{// SCL=H,SCL=H->L,delay4.7usSDA = 1;Delay10us();SCL=1;	// SDA/SCL = HDelay10us();SDA=0;	// SDA H->LDelay10us();SCL=0;  // SCL=L时，数据可以改变   Delay10us();
}// 模拟终止信号
void I2CStop()
{// SCL=H,SCL=L->H,delay4.7usSDA = 0;Delay10us();SCL=1;Delay10us();SDA=1;	// SDA L->HDelay10us();
}// 模拟发送数据
unsigned char I2CWriteByte(unsigned char dat)
{unsigned char a=0, b=0;for(a=0;a<8;a++){SDA = (dat>>7);  // 传送最高位dat = (dat<<1);  // 替换最高位Delay10us();SCL = 1;  // SCL=H, 数据保持稳定Delay10us();SCL = 0;  // SCL=L, 数据可以改变Delay10us();}SDA=1;  // 释放时钟线和数据线Delay10us();SCL=1;// Delay10us();while(SDA)   // 应答信号SDA=0 ，非应答SDA=1{	b++;if(b>200)  // 非应答超过200次，至少200us{SCL=0;   // 拉低时钟线Delay10us();return 0;   // 表示发送信号失败}}SCL=0;Delay10us();return 1;	
}// 模拟接收数据
unsigned char I2CReadByte()
{unsigned char a=0, dat=0;SDA=1;  // SDA=1拉高使其处于空闲状态Delay10us();for(a=0;a<8;a++){SCL=1;  // 保持数据稳定Delay10us();dat <<= 1;  // data=0 <<1  ->  0dat |= SDA;Delay10us();SCL=0;  // SDA数据可以改变Delay10us();}return dat;
}// AT24C02 EEPROM 读写函数
void AT24C02Write(unsigned char addr, unsigned char dat)
{// 1. 起始信号I2CStart();// 2. 器件地址I2CWriteByte(0xa0);// 3. 写入的首地址I2CWriteByte(addr);// 4. 写入数据I2CWriteByte(dat);// 5. 停止信号I2CStop();			
}unsigned char AT24C02Read(unsigned char addr)
{unsigned char dat=0;// 1. 起始信号I2CStart();// 2. 器件地址I2CWriteByte(0xa0);// 3. 写入的首地址I2CWriteByte(addr);// 再次发送器件地址时，需要重新发送起始信号// 4. 起始信号  I2CStart();// 5. 器件地址I2CWriteByte(0xa1);// 6. 读取数据dat = I2CReadByte();// 5. 停止信号I2CStop();return dat;			
}

结果：初始读取为7是因为之前有进行过I2C写入，默认没有对I2C操作前读取到的数据是0。

出现的问题：

1. 刚开始定义数据时使用data，编译报错I2C.H(13): error C141: syntax error near ')'；原因是不能声明变量名为data，data是C51中的关键字。C51中的关键字data,idata,xdata,pdata,bdata。
2. proteus绘制总线使用方法：proteus中的标签及总线的使用方法。
3. 独立按键：51单片机 4个独立按键控制LED灯 （protues仿真）（C语言版）。