GD32F4学习之路第五章----IIC读写AT24C02
IIC（Inter-Integrated Circuit，也写作I²C或I2C）是一种串行通信总线，由飞利浦公司在1980年代开发，用于连接微控制器和各种外围设备。双线制：仅使用两条线（SCL和SDA）实现双向通信主从架构：一个或多个主设备控制总线，从设备响应主设备的命令寻址机制：每个从设备都有唯一的地址，支持多设备共享总线低速率：标准模式为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模
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目录
1. IIC协议概述
1.1 IIC协议定义
IIC（Inter-Integrated Circuit，也写作I²C或I2C）是一种串行通信总线，由飞利浦公司在1980年代开发，用于连接微控制器和各种外围设备。IIC协议具有以下特点：
- 双线制：仅使用两条线（SCL和SDA）实现双向通信
- 主从架构：一个或多个主设备控制总线，从设备响应主设备的命令
- 寻址机制：每个从设备都有唯一的地址，支持多设备共享总线
- 低速率：标准模式为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式可达3.4Mbit/s
- 开放集电极：允许多个设备共享总线而不会发生冲突
1.2 物理特性
IIC总线由两条信号线组成：
- SCL（Serial Clock Line）：时钟线，由主设备产生
- SDA（Serial Data Line）：数据线，可由主设备或从设备控制
这两条线都需要上拉电阻（通常为4.7kΩ）连接到电源，形成开漏（或开集电极）输出结构。这种结构允许多个设备共享总线，并实现"线与"逻辑。
1.3 通信时序
IIC协议定义了几种特殊的总线条件和基本时序：
起始条件（START）
当SCL为高电平时，SDA从高电平切换到低电平，表示通信开始。
____
SDA \___
_______
SCL
停止条件（STOP）
当SCL为高电平时，SDA从低电平切换到高电平，表示通信结束。
____
SDA ____/
_______
SCL
数据传输
数据按字节（8位）传输，高位先传。每个字节后跟一个应答位（ACK/NACK）。
- 数据在SCL低电平期间准备
- 数据在SCL高电平期间有效并被采样
- 每个字节传输后，接收方发送一个应答位（ACK=0表示应答，NACK=1表示不应答）
_ _ _ _ _ _ _ _ _
SCL _| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_
___ ___ ___ ___ ___
SDA |___| |___| |___| |___| |___
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ACK
完整通信流程
一个典型的IIC通信序列包括：
- 主设备发送START条件
- 主设备发送从设备地址（7位）和读/写位（1位，0=写，1=读）
- 从设备发送ACK
- 数据传输（一个或多个字节，每个字节后跟ACK/NACK）
- 主设备发送STOP条件
1.4 寻址方式
IIC设备使用7位或10位地址。对于7位寻址（最常用）：
- 地址占用7位（可寻址128个设备）
- 第8位表示读/写操作（0=写，1=读）
2. AT24CXX EEPROM概述
2.1 产品简介
AT24CXX是Atmel（现为Microchip）生产的一系列IIC接口EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）。该系列包括多种型号，如AT24C01、AT24C02、AT24C04、AT24C08、AT24C16、AT24C32、AT24C64等，容量从1Kbit到512Kbit不等。
主要特点：
- IIC兼容接口
- 低功耗
- 页写缓冲
- 高可靠性（100,000次写入周期，数据保存超过40年）
- 宽工作电压范围（通常为1.8V至5.5V）
2.2 工作原理
AT24CXX EEPROM通过IIC总线与微控制器通信，使用电可擦除可编程技术存储数据。其工作原理包括：
- 读操作：主控制器发送设备地址和存储器地址，然后读取数据
- 写操作：主控制器发送设备地址、存储器地址和要写入的数据
- 页写操作：可以一次写入多个字节（一页，通常为8或16字节）
- 写周期：写入操作后，EEPROM需要一段时间（通常为5ms）完成内部写入周期
2.3 存储组织
不同型号的AT24CXX有不同的存储容量和组织方式：
| 型号 | 容量 | 组织方式 | 页大小 | 地址字节数 |
|---|---|---|---|---|
| AT24C01 | 1Kbit | 128×8 | 8字节 | 1 |
| AT24C02 | 2Kbit | 256×8 | 8字节 | 1 |
| AT24C04 | 4Kbit | 512×8 | 16字节 | 1 |
| AT24C08 | 8Kbit | 1024×8 | 16字节 | 1 |
| AT24C16 | 16Kbit | 2048×8 | 16字节 | 1 |
| AT24C32 | 32Kbit | 4096×8 | 32字节 | 2 |
| AT24C64 | 64Kbit | 8192×8 | 32字节 | 2 |
2.4 寻址模式
AT24CXX的寻址方式根据容量不同而有所差异：
-
AT24C01/C02（小容量）：
- 器件地址：1010 + A2 + A1 + A0 + R/W
- 使用1字节内部地址（0-127或0-255）
-
AT24C04/C08/C16（中容量）：
- 器件地址：1010 + A2 + (A1) + (A0) + R/W
- 其中A1、A0可能被高位地址位替代
- AT24C04：1010 + A2 + A1 + a8 + R/W
- AT24C08：1010 + A2 + a9 + a8 + R/W
- AT24C16：1010 + a10 + a9 + a8 + R/W
-
AT24C32/C64及以上（大容量）：
- 器件地址：1010 + A2 + A1 + A0 + R/W
- 使用2字节内部地址
其中：
- A0-A2：硬件地址引脚
- a8-a10：存储器寻址位
- R/W：读/写控制位（0=写，1=读）
3. 软件实现
3.1 IIC驱动实现
IIC驱动通过软件模拟方式实现，主要包括以下功能：
初始化
void iic_init(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB); /* 使能GPIOB时钟 */
/* 配置SCL引脚：推挽输出模式，上拉，高速 */
gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_8);
gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_8);
/* 配置SDA引脚：开漏输出模式，上拉，高速
* 开漏输出可以实现双向IO功能，上拉电阻(=1)时也可以读取外部信号的高低电平 */
gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_9);
gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);
iic_stop(); /* 发送停止信号，复位所有设备 */
}
起始信号
void iic_start(void)
{
IIC_SDA(1); /* 确保SDA初始为高 */
IIC_SCL(1); /* 确保SCL初始为高 */
iic_delay();
IIC_SDA(0); /* START信号：当SCL为高时，SDA由高变低，表示起始信号 */
iic_delay();
IIC_SCL(0); /* 钳制I2C总线，准备发送或接收数据 */
iic_delay();
}
停止信号
void iic_stop(void)
{
IIC_SDA(0); /* STOP信号：当SCL为高时，SDA由低变高，表示停止信号 */
iic_delay();
IIC_SCL(1);
iic_delay();
IIC_SDA(1); /* 释放I2C总线，结束信号 */
iic_delay();
}
发送字节
void iic_send_byte(uint8_t data)
{
uint8_t t;
for (t = 0; t < 8; t++)
{
IIC_SDA((data & 0x80) >> 7); /* 高位先发送 */
iic_delay();
IIC_SCL(1); /* 产生SCL时钟 */
iic_delay();
IIC_SCL(0); /* 时钟输出0 */
data <<= 1; /* 左移一位，准备下一次发送 */
}
IIC_SDA(1); /* 发送完成，主机释放SDA线 */
}
接收字节
uint8_t iic_read_byte(uint8_t ack)
{
uint8_t i;
uint8_t receive = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) /* 接收1个字节数据 */
{
receive <<= 1; /* 左移一位，接收到的数据位要放到最低位 */
IIC_SCL(1);
iic_delay();
if (IIC_READ_SDA)
{
receive++;
}
IIC_SCL(0);
iic_delay();
}
if (!ack)
{
iic_nack(); /* 发送nACK */
}
else
{
iic_ack(); /* 发送ACK */
}
return receive; /* 返回接收到的数据 */
}
应答和非应答
void iic_ack(void)
{
IIC_SDA(0); /* SCL 0 -> 1 时 SDA = 0，表示应答 */
iic_delay();
IIC_SCL(1); /* 产生一个时钟 */
iic_delay();
IIC_SCL(0);
iic_delay();
IIC_SDA(1); /* 主机释放SDA线 */
iic_delay();
}
void iic_nack(void)
{
IIC_SDA(1); /* SCL 0 -> 1 时 SDA = 1，表示不应答 */
iic_delay();
IIC_SCL(1); /* 产生一个时钟 */
iic_delay();
IIC_SCL(0);
iic_delay();
}
等待应答
uint8_t iic_wait_ack(void)
{
uint8_t waitTime = 0;
uint8_t rAck = 0;
IIC_SDA(1); /* 主机释放SDA线(此时外部器件可以拉低SDA线) */
iic_delay();
IIC_SCL(1); /* SCL=1，此时从机可以发送ACK */
iic_delay();
while (IIC_READ_SDA) /* 等待应答 */
{
waitTime++;
if (waitTime > 250) /* 超时未收到应答信号 */
{
iic_stop();
rAck = 1;
break;
}
}
IIC_SCL(0); /* SCL=0，结束ACK检测 */
iic_delay();
return rAck;
}
3.2 AT24CXX驱动实现
AT24CXX驱动基于IIC驱动，实现了EEPROM的读写操作：
初始化
void at24cxx_init(void)
{
iic_init(); /* 初始化IIC接口 */
}
读取单字节
uint8_t at24cxx_read_one_byte(uint16_t addr)
{
uint8_t temp = 0;
iic_start(); /* 发送起始信号 */
/* 根据不同的24CXX型号，发送设备地址和寻址方式 */
if (EE_TYPE > AT24C16) /* 24C16以上型号，需要发送2字节地址 */
{
iic_send_byte(0XA0); /* 发送写命令，IIC规定最低位为0表示写入 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
iic_send_byte(addr >> 8); /* 发送高字节地址 */
}
else
{
iic_send_byte(0XA0 + ((addr >> 8) << 1)); /* 器件地址 0XA0 + 高位地址 */
}
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
iic_send_byte(addr % 256); /* 发送低字节地址 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答，此时地址设置完成 */
iic_start(); /* 重新发送起始信号，准备读取数据 */
iic_send_byte(0XA1); /* 进入读取模式，IIC规定最低位为1表示读取 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
temp = iic_read_byte(0); /* 读取一个字节数据，发送NACK */
iic_stop(); /* 发送停止信号 */
return temp;
}
写入单字节
void at24cxx_write_one_byte(uint16_t addr, uint8_t data)
{
iic_start(); /* 发送起始信号 */
if (EE_TYPE > AT24C16) /* 24C16以上型号，需要发送2字节地址 */
{
iic_send_byte(0XA0); /* 发送写命令，IIC规定最低位为0表示写入 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
iic_send_byte(addr >> 8); /* 发送高字节地址 */
}
else
{
iic_send_byte(0XA0 + ((addr >> 8) << 1)); /* 器件地址 0XA0 + 高位地址 */
}
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
iic_send_byte(addr % 256); /* 发送低字节地址 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答，此时地址设置完成 */
/* 写数据时不需要重新发送起始信号，直接发送数据即可 */
iic_send_byte(data); /* 发送要写入的数据 */
iic_wait_ack(); /* 等待从机应答 */
iic_stop(); /* 发送停止信号 */
delay_ms(10); /* EEPROM写操作需要时间，等待10ms以上才能进行下一次写入 */
}
读取多字节
void at24cxx_read(uint16_t addr, uint8_t *pbuf, uint16_t datalen)
{
while (datalen--)
{
*pbuf++ = at24cxx_read_one_byte(addr++); /* 循环读取每个字节 */
}
}
写入多字节
void at24cxx_write(uint16_t addr, uint8_t *pbuf, uint16_t datalen)
{
while (datalen--)
{
at24cxx_write_one_byte(addr, *pbuf); /* 写入一个字节数据 */
addr++; /* 地址递增 */
pbuf++; /* 数据指针递增 */
}
}
设备检测
uint8_t at24cxx_check(void)
{
uint8_t temp;
uint16_t addr = EE_TYPE; /* 使用最大地址进行测试 */
/* 首先读取当前值，避免不必要的写操作 */
temp = at24cxx_read_one_byte(addr);
if (temp == 0X55) /* 如果当前值已经是0x55，说明器件正常 */
{
return 0;
}
else /* 当前值不是0x55，需要进行写入测试 */
{
at24cxx_write_one_byte(addr, 0X55); /* 写入测试数据 */
temp = at24cxx_read_one_byte(addr); /* 读取写入的数据 */
if (temp == 0X55) return 0; /* 读取值正确，设备正常 */
}
return 1; /* 读取值错误，设备异常 */
}
4. 应用示例
4.1 基本读写操作
以下是AT24CXX EEPROM基本读写操作的示例代码：
/* 初始化 */
at24cxx_init();
/* 检查设备是否正常 */
if (at24cxx_check() == 0)
{
printf("AT24CXX检测正常!\r\n");
/* 写入测试数据 */
uint8_t write_buf[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
at24cxx_write(0, write_buf, 10);
/* 读取测试数据 */
uint8_t read_buf[10] = {0};
at24cxx_read(0, read_buf, 10);
/* 验证数据 */
uint8_t i;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("读取数据[%d]: %d\r\n", i, read_buf[i]);
}
}
else
{
printf("AT24CXX检测失败!\r\n");
}
4.2 数据存储应用
AT24CXX EEPROM常用于存储系统配置、校准数据、日志信息等。以下是一个存储系统配置的示例：
/* 定义系统配置结构体 */
typedef struct
{
uint8_t device_id;
uint16_t sample_rate;
uint8_t channel_num;
uint8_t filter_mode;
uint16_t alarm_threshold;
uint8_t checksum; /* 校验和，用于验证数据完整性 */
} SystemConfig_t;
/* 计算校验和 */
uint8_t calculate_checksum(SystemConfig_t *config)
{
uint8_t *ptr = (uint8_t *)config;
uint8_t sum = 0;
uint16_t i;
/* 计算除校验和外所有字节的和 */
for (i = 0; i < sizeof(SystemConfig_t) - 1; i++)
{
sum += ptr[i];
}
return sum;
}
/* 保存系统配置 */
void save_system_config(SystemConfig_t *config)
{
/* 计算校验和 */
config->checksum = calculate_checksum(config);
/* 写入EEPROM */
at24cxx_write(0, (uint8_t *)config, sizeof(SystemConfig_t));
}
/* 加载系统配置 */
uint8_t load_system_config(SystemConfig_t *config)
{
/* 从EEPROM读取配置 */
at24cxx_read(0, (uint8_t *)config, sizeof(SystemConfig_t));
/* 验证校验和 */
uint8_t checksum = calculate_checksum(config);
if (checksum == config->checksum)
{
return 0; /* 校验成功 */
}
else
{
return 1; /* 校验失败 */
}
}
/* 使用示例 */
void config_example(void)
{
SystemConfig_t config;
/* 初始化AT24CXX */
at24cxx_init();
/* 尝试加载配置 */
if (load_system_config(&config) == 0)
{
printf("加载配置成功!\r\n");
printf("设备ID: %d\r\n", config.device_id);
printf("采样率: %d\r\n", config.sample_rate);
}
else
{
printf("配置无效或首次使用，使用默认配置\r\n");
/* 设置默认配置 */
config.device_id = 1;
config.sample_rate = 1000;
config.channel_num = 4;
config.filter_mode = 2;
config.alarm_threshold = 500;
/* 保存默认配置 */
save_system_config(&config);
}
}
在OTA（空中升级）应用中，AT24CXX也可用于存储固件版本信息、升级状态等关键数据：
/* 读取OTA标志 */
void Read_OTA_Flag(void)
{
memset(&ota_info, 0, OTA_INFO_SIZE);
at24cxx_read(0, (uint8_t *)&ota_info, OTA_INFO_SIZE);
}
/* 写入OTA标志 */
void Write_OTA_Flag(void)
{
uint8_t *wptr = (uint8_t *)&ota_info;
at24cxx_write(0, wptr, OTA_INFO_SIZE);
}
通过这种方式，系统可以在断电或重启后恢复之前的状态，确保OTA过程的可靠性和连续性。
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