第14章 I2C總線與EEPROM

    return ack;

}

我們把這個程序在KST-51開發(fā)板上運(yùn)行完畢，會在液晶上邊顯示出來我們預(yù)想的結(jié)果，主機(jī)發(fā)送一個存在的從機(jī)地址，從機(jī)會回復(fù)一個應(yīng)答位；主機(jī)如果發(fā)送一個不存在的從機(jī)地址，就沒有從機(jī)應(yīng)答。

前邊我有提到過有一個利用庫函數(shù)_nop_()來進(jìn)行精確延時，一個_nop_()的時間就是一個機(jī)器周期，這個庫函數(shù)是包含在了intrins.h這個庫文件中，我們?nèi)绻�要使用這個庫函數(shù)，只需要在程序最開始，和包含reg52.h一樣，include<intrins.h>之后，我們程序就可以直接使用這個庫函數(shù)了。

還有一點(diǎn)要提一下，I2C通信分為低速模式100kbit/s，快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。因為所有的I2C器件都支持低速，但卻未必支持另外兩種速度，所以作為通用的I2C程序我們選擇100k這個速率來實(shí)現(xiàn)，也就是說實(shí)際程序產(chǎn)生的時序必須小于等于100k的時序參數(shù)，很明顯也就是要求SCL的高低電平持續(xù)時間都不短于5us，因此我們在時序函數(shù)中通過插入I2CDelay()這個總線延時函數(shù)（它實(shí)際上就是4個NOP指令，用define在文件開頭做了定義），加上改變SCL值語句本身占用的至少一個周期，來達(dá)到這個速度限制。如果以后需要提高速度，那么只需要減小這里的總線延時時間即可。

此外我們要學(xué)習(xí)一個發(fā)送數(shù)據(jù)的技巧，就是I2C通信時如何將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。大家注意寫函數(shù)中，我用的那個for循環(huán)的技巧。for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1)，由于I2C通信是從高位開始發(fā)送數(shù)據(jù)，所以我們先從最高位開始，0x80和dat進(jìn)行按位與運(yùn)算，從而得知dat第7位是0還是1，然后右移一位，也就是變成了用0x40和dat按位與運(yùn)算，得到第6位是0還是1，一直到第0位結(jié)束，最終通過if語句，把dat的8位數(shù)據(jù)依次發(fā)送了出去。其他的邏輯大家對照前邊講到的理論知識，認(rèn)真研究明白就可以了。

在實(shí)際的應(yīng)用中，保存在單片機(jī)RAM中的數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)就丟失了，保存在單片機(jī)的FLASH中的數(shù)據(jù)，又不能隨意改變，也就是不能用它來記錄變化的數(shù)值。但是在某些場合，我們又確實(shí)需要記錄下某些數(shù)據(jù)，而它們還時常需要改變或更新，掉電之后數(shù)據(jù)還不能丟失，比如我們的家用電表度數(shù)，我們的電視機(jī)里邊的頻道記憶，一般都是使用EEPROM來保存數(shù)據(jù)，特點(diǎn)就是掉電后不丟失。我們板子上使用的這個器件是24C02，是一個容量大小是2Kbit位，也就是256個字節(jié)的EEPROM。一般情況下，EEPROM擁有30萬到100萬次的壽命，也就是它可以反復(fù)寫入30-100萬次，而讀取次數(shù)是無限的。

24C02是一個基于I2C通信協(xié)議的器件，因此從現(xiàn)在開始，我們的I2C和我們的EEPROM就要合體了。但是大家要分清楚，I2C是一個通信協(xié)議，它擁有嚴(yán)密的通信時序邏輯要求，而EEPROM是一個器件，只是這個器件采樣了I2C協(xié)議的接口與單片機(jī)相連而已，二者并沒有必然的聯(lián)系，EEPROM可以用其他接口，I2C也可以用在其它很多器件上。

1、EEPROM寫數(shù)據(jù)流程

第一步，首先是I2C的起始信號，接著跟上首字節(jié)，也就是我們前邊講的I2C的器件地

址(EERPOM)，并且在讀寫方向上選擇“寫”操作。

第二步，發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲地址。我們24C02一共256個字節(jié)的存儲空間，地址從0x00到0xFF，我們想把數(shù)據(jù)存儲在哪個位置，此刻寫的就是哪個地址。

第三步，發(fā)送要存儲的數(shù)據(jù)第一個字節(jié)，第二個字節(jié)......注意在寫數(shù)據(jù)的過程中，EEPROM每個字節(jié)都會回應(yīng)一個“應(yīng)答位0”，來告訴我們寫EEPROM數(shù)據(jù)成功，如果沒有回應(yīng)答位，說明寫入不成功。

在寫數(shù)據(jù)的過程中，每成功寫入一個字節(jié)，EEPROM存儲空間的地址就會自動加1，當(dāng)加到0xFF后，再寫一個字節(jié)，地址會溢出又變成了0x00。

2、EEPROM讀數(shù)據(jù)流程

第一步，首先是I2C的起始信號，接著跟上首字節(jié)，也就是我們前邊講的I2C的器件地

址(EERPOM)，并且在讀寫方向上選擇“寫”操作。這個地方可能有同學(xué)會詫異，我們明明是讀數(shù)據(jù)為何方向也要選“寫”呢？剛才說過了，我們24C02一共有256個地址，我們選擇寫操作，是為了把所要讀的數(shù)據(jù)的存儲地址先寫進(jìn)去，告訴EEPROM我們要讀取哪個地址的數(shù)據(jù)。這就如同我們打電話，先撥總機(jī)號碼(EEPROM器件地址)，而后還要繼續(xù)撥分機(jī)號碼(數(shù)據(jù)地址)，而撥分機(jī)號碼這個動作，主機(jī)仍然是發(fā)送方，方向依然是“寫”。

第二步，發(fā)送要讀取的數(shù)據(jù)的地址，注意是地址而非存在EEPROM中的數(shù)據(jù)，通知EEPROM我要哪個分機(jī)的信息。

第三步，重新發(fā)送I2C起始信號和器件地址，并且在方向位選擇“讀”操作。

這三步當(dāng)中，每一個字節(jié)實(shí)際上都是在“寫”，所以每一個字節(jié)EEPROM都會回應(yīng)一個“應(yīng)答位0”。

第四步，讀取從器件發(fā)回的數(shù)據(jù)，讀一個字節(jié)，如果還想繼續(xù)讀下一個字節(jié)，就發(fā)送一個“應(yīng)答位ACK(0)”，如果不想讀了，告訴EEPROM，我不想要數(shù)據(jù)了，別再發(fā)數(shù)據(jù)了，那就發(fā)送一個“非應(yīng)答位NACK(1)”。

和寫操作規(guī)則一樣，我們每讀一個字節(jié)，地址會自動加1，那如果我們想繼續(xù)往下讀，給EEPROM一個ACK(0)低電平，那再繼續(xù)給SCL完整的時序，EEPROM會繼續(xù)往外送數(shù)據(jù)。如果我們不想讀了，要告訴EEPROM不要數(shù)據(jù)了，那我們直接給一個NAK(1)高電平即可。這個地方大家要從邏輯上理解透徹，不能簡單的靠死記硬背了，一定要理解明白。梳理一下幾個要點(diǎn)：A、在本例中單片機(jī)是主機(jī)，24C02是從機(jī)；B、無論是讀是寫，SCL始終都是由主機(jī)控制的；C、寫的時候應(yīng)答信號由從機(jī)給出，表示從機(jī)是否正確接收了數(shù)據(jù)；D、讀的時候應(yīng)答信號則由主機(jī)給出，表示是否繼續(xù)讀下去。

那我們下面寫一個程序，讀取EEPROM的0x02這個地址上的一個數(shù)據(jù)，不管這個數(shù)據(jù)之前是多少，我們都再將讀出來的數(shù)據(jù)加1，再寫到EEPROM的0x02這個地址上。此外我們將I2C的程序建立一個文件，寫一個I2C.c程序文件，形成我們又一個程序模塊。大家也可以看出來，我們連續(xù)的這幾個程序，lcd1602.c文件里的程序都是一樣的，今后我們大家寫1602顯示程序也可以直接拿過去用，大大提高了程序移植的方便性。

/*************************I2C.c文件程序源代碼***************************/

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

#define I2CDelay()  {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}

sbit I2C_SCL = P3^7;

sbit I2C_SDA = P3^6;

void I2CStart()  //產(chǎn)生總線起始信號

{

    I2C_SDA = 1; //首先確保SDA、SCL都是高電平

    I2C_SCL = 1;

    I2CDelay();

    I2C_SDA = 0; //先拉低SDA

    I2CDelay();

    I2C_SCL = 0; //再拉低SCL

}

void I2CStop()   //產(chǎn)生總線停止信號

{

    I2C_SCL = 0; //首先確保SDA、SCL都是低電平

    I2C_SDA = 0;

    I2CDelay();

    I2C_SCL = 1; //先拉高SCL

    I2CDelay();

    I2C_SDA = 1; //再拉高SDA

    I2CDelay();

}

bit I2CWrite(unsigned char dat) //I2C總線寫操作，待寫入字節(jié)dat，返回值為應(yīng)答狀態(tài)

{

    bit ack;  //用于暫存應(yīng)答位的值

    unsigned char mask;  //用于探測字節(jié)內(nèi)某一位值的掩碼變量

    for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //從高位到低位依次進(jìn)行

    {

        if ((mask&dat) == 0)  //該位的值輸出到SDA上

            I2C_SDA = 0;

        else

            I2C_SDA = 1;

        I2CDelay();

        I2C_SCL = 1;          //拉高SCL

        I2CDelay();

        I2C_SCL = 0;          //再拉低SCL，完成一個位周期

    }

    I2C_SDA = 1;   //8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，主機(jī)釋放SDA，以檢測從機(jī)應(yīng)答

    I2CDelay();

    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL

    ack = I2C_SDA; //讀取此時的SDA值，即為從機(jī)的應(yīng)答值

    I2CDelay();

    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成應(yīng)答位，并保持住總線

    return (~ack); //應(yīng)答值取反以符合通常的邏輯：0=不存在或忙或?qū)懭胧��。?/font>1=存在且空閑或?qū)懭氤晒?/font>

電視頻道記憶功能，交通燈倒計時時間的設(shè)定，戶外LED廣告的記憶功能，都有可能有類似EEPROM這類存儲器件。這類器件的優(yōu)勢是存儲的數(shù)據(jù)不僅可以改變，而且掉電后數(shù)據(jù)保存不丟失，因此大量應(yīng)用在各種電子產(chǎn)品上。

我們這節(jié)課的例程，有點(diǎn)類似廣告屏。上電后，1602的第一行顯示EEPROM從0x20地址開始的16個字符，第二行顯示EERPOM從0x40開始的16個字符。我們可以通過UART串口通信來改變EEPROM內(nèi)部的這個數(shù)據(jù)，并且同時改變了1602顯示的內(nèi)容，下次上電的時候，直接會顯示我們更新過的內(nèi)容。

這個程序所有的相關(guān)內(nèi)容，我們之前都已經(jīng)講過了。但是這個程序體現(xiàn)在了一個綜合程序應(yīng)用能力上。這個程序用到了1602液晶、UART實(shí)用串口通信、EEPROM讀寫操作等多個功能的綜合應(yīng)用。寫個點(diǎn)亮小燈好簡單，但是我們想學(xué)會真正的單片機(jī)，必須得學(xué)會這種綜合程序的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多個模塊同時參與工作，這個理念在我們的全板子測試視頻里已經(jīng)有所體現(xiàn)。因此同學(xué)們，要認(rèn)認(rèn)真真的把工程建立起來，一行一行的把程序編寫起來，最終鞏固下來。

                                                        

#include <reg52.h>

bit flagOnceTxd = 0;  //單次發(fā)送完成標(biāo)志，即發(fā)送完一個字節(jié)

bit cmdArrived = 0;   //命令到達(dá)標(biāo)志，即接收到上位機(jī)下發(fā)的命令

unsigned char cntRxd = 0;

unsigned char pdata bufRxd[40]; //串口接收緩沖區(qū)

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);

extern void E2Write(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);

void ConfigUART(unsigned int baud)  //串口配置函數(shù)，baud為波特率

{

    SCON = 0x50;   //配置串口為模式1

    TMOD &= 0x0F;  //清零T1的控制位

    TMOD |= 0x20;  //配置T1為模式2

    TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud;  //計算T1重載值

    TL1 = TH1;     //初值等于重載值

    ET1 = 0;       //禁止T1中斷

    ES  = 1;       //使能串口中斷

    TR1 = 1;       //啟動T1

}

unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len) //串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，數(shù)據(jù)接收指針buf，讀取數(shù)據(jù)長度len，返回值為實(shí)際讀取到的數(shù)據(jù)長度

{

    unsigned char i;

    if (len > cntRxd) //讀取長度大于接收到的數(shù)據(jù)長度時，

    {

        len = cntRxd; //讀取長度設(shè)置為實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)長度

    }

    for (i=0; i<len; i++) //拷貝接收到的數(shù)據(jù)

    {

        *buf = bufRxd[ i];

        buf++;

    }

    cntRxd = 0;  //清零接收計數(shù)器

    return len;  //返回實(shí)際讀取長度

}

void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len) //串口數(shù)據(jù)寫入函數(shù)，即串口發(fā)送函數(shù)，待發(fā)送數(shù)據(jù)指針buf，數(shù)據(jù)長度len

{

    while (len--)

    {

        flagOnceTxd = 0;

        SBUF = *buf;

        buf++;

        while (!flagOnceTxd);

    }

}

bit CmdCompare(unsigned char *buf, const unsigned char *cmd) //命令比較函數(shù)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)與指定命令比較，相同返回1，不同返回0

{

    while (*cmd != '\0')

    {

        if (*cmd != *buf) //遇到不相同字符時即刻返回0

        {

            return 0;

        }

        else //當(dāng)前字符相等時，指針遞增準(zhǔn)備比較下一字符

        {

            cmd++;

            buf++;

        }

    }

    return 1; //到命令字符串結(jié)束時字符都相等則返回1

}

void TrimString16(unsigned char *out, unsigned char *in) //將一字符串整理成16字節(jié)的固定長度字符串，不足部分補(bǔ)空格

{

    unsigned char i = 0;

    while (*in != '\0') //拷貝字符串直到輸入字符串結(jié)束

    {

        *out = *in;

        out++;

        in++;

        i++;

        if (i >= 16)   //當(dāng)拷貝長度已達(dá)到16字節(jié)時，強(qiáng)制跳出循環(huán)

            break;

    }

    for ( ; i<16; i++) //如不足16個字節(jié)則用空格補(bǔ)齊

    {

        *out = ' ';

        out++;

    }

    *out = '\0';       //最后添加結(jié)束符

}

void UartDriver() //串口驅(qū)動函數(shù)，檢測接收到的命令并執(zhí)行相應(yīng)動作

{

    unsigned char i;

    unsigned char len;

    unsigned char buf[30];

    unsigned char str[17];

    const unsigned char code cmd0[] = "showstr1 ";

    const unsigned char code cmd1[] = "showstr2 ";

    const unsigned char code *cmdList[] = {cmd0, cmd1};

    if (cmdArrived) //有命令到達(dá)時，讀取處理該命令

    {

        cmdArrived = 0;

        for (i=0; i<sizeof(buf); i++) //清零命令接收緩沖區(qū)

        {

            buf[ i] = 0;

        }

        len = UartRead(buf, sizeof(buf)); //將接收到的命令讀取到緩沖區(qū)中

        for (i=0; i<sizeof(cmdList)/sizeof(cmdList[0]); i++) //與所支持的命令列表逐一進(jìn)行比較

        {

            if (CmdCompare(buf, cmdList[ i]) == 1) //檢測到相符命令時退出循環(huán)，此時的i值就是該命令在列表中的下標(biāo)值

            {

                break;

            }

        }

        switch (i) //根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)命令

        {

            case 0:

                buf[len] = '\0';                       //為接收到的字符串添加結(jié)束符

                TrimString16(str, buf+sizeof(cmd0)-1); //整理成16字節(jié)的固定長度字符串，不足部分補(bǔ)空格

                LcdShowStr(0, 0, str);                 //顯示字符串1

                E2Write(str, 0x20, sizeof(str));       //保存字符串1，其E2起始地址為0x20

                break;

            case 1:

                buf[len] = '\0';

                TrimString16(str, buf+sizeof(cmd1)-1);

                LcdShowStr(0, 1, str);

                E2Write(str, 0x40, sizeof(str));       //保存字符串2，其E2起始地址為0x40

                break;

            default:  //i大于命令列表最大下標(biāo)時，即表示沒有相符的命令，給上機(jī)發(fā)送“錯誤命令”的提示

                UartWrite("bad command.\r\n", sizeof("bad command.\r\n")-1);

                return;

        }

        buf[len++] = '\r';  //有效命令被執(zhí)行后，在原命令幀之后添加回車換行符后返回給上位機(jī)，表示已執(zhí)行

        buf[len++] = '\n';

        UartWrite(buf, len);

    }

}

void UartRxMonitor(unsigned char ms)  //串口接收監(jiān)控函數(shù)

{

    static unsigned char cntbkp = 0;

    static unsigned char idletmr = 0;

    if (cntRxd > 0)  //接收計數(shù)器大于零時，監(jiān)控總線空閑時間

    {

        if (cntbkp != cntRxd)  //接收計數(shù)器改變，即剛接收到數(shù)據(jù)時，清零空閑計時

        {

            cntbkp = cntRxd;

            idletmr = 0;

        }

        else

        {

            if (idletmr < 30)  //接收計數(shù)器未改變，即總線空閑時，累積空閑時間

            {

                idletmr += ms;

                if (idletmr >= 30)  //空閑時間超過30ms即認(rèn)為一幀命令接收完畢

                {

                    cmdArrived = 1; //設(shè)置命令到達(dá)標(biāo)志

                }

            }

        }

    }

    else

    {

        cntbkp = 0;

    }

}

void InterruptUART() interrupt 4  //UART中斷服務(wù)函數(shù)

{

if (RI)  //接收到字節(jié)

    {

RI = 0;   //手動清零接收中斷標(biāo)志位

        if (cntRxd < sizeof(bufRxd)) //接收緩沖區(qū)尚未用完時，

        {

            bufRxd[cntRxd++] = SBUF; //保存接收字節(jié)，并遞增計數(shù)器

        }

}

if (TI)  //字節(jié)發(fā)送完畢

    {

        TI = 0;   //手動清零發(fā)送中斷標(biāo)志位

        flagOnceTxd = 1;  //設(shè)置單次發(fā)送完成標(biāo)志

     }

}

/************************main.c文件程序源代碼**************************/

#include <reg52.h>

unsigned char T0RH = 0;  //T0重載值的高字節(jié)

unsigned char T0RL = 0;  //T0重載值的低字節(jié)

extern void LcdInit();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, const unsigned char *str);

extern void E2Read(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);

extern void ConfigUART(unsigned int baud);

extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);

extern void UartDriver();

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

void InitShowStr();

void main ()

{

    EA = 1;           //開總中斷

    ConfigTimer0(1);  //配置T0定時1ms

    ConfigUART(9600); //配置波特率為9600

    LcdInit();        //初始化液晶

    InitShowStr();    //初始顯示內(nèi)容

    while(1)

    {

        UartDriver();

    }

}

void InitShowStr()  //處理液晶屏初始顯示內(nèi)容

{

    unsigned char str[17];

    str[16] = '\0';         //在最后添加字符串結(jié)束符，確保字符串可以結(jié)束

    E2Read(str, 0x20, 16);  //讀取第一行字符串，其E2起始地址為0x20

    LcdShowStr(0, 0, str);  //顯示到液晶屏

    E2Read(str, 0x40, 16);  //讀取第二行字符串，其E2起始地址為0x40

    LcdShowStr(0, 1, str);  //顯示到液晶屏

}

void ConfigTimer0(unsigned int ms)  //T0配置函數(shù)

{

    unsigned long tmp;

    tmp = 11059200 / 12;      //定時器計數(shù)頻率

    tmp = (tmp * ms) / 1000;  //計算所需的計數(shù)值

    tmp = 65536 - tmp;        //計算定時器重載值

    tmp = tmp + 18;           //修正中斷響應(yīng)延時造成的誤差

    T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8);  //定時器重載值拆分為高低字節(jié)

    T0RL = (unsigned char)tmp;

    TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位

    TMOD |= 0x01;   //配置T0為模式1

    TH0 = T0RH;     //加載T0重載值

    TL0 = T0RL;

    ET0 = 1;        //使能T0中斷

    TR0 = 1;        //啟動T0

}

void InterruptTimer0() interrupt 1  //T0中斷服務(wù)函數(shù)

{

    TH0 = T0RH;  //定時器重新加載重載值

    TL0 = T0RL;

    UartRxMonitor(1);  //串口接收監(jiān)控

}

我們在學(xué)習(xí)UART通信的時候，剛開始也是用的IO口去模擬UART通信過程，最終實(shí)現(xiàn)和電腦的通信。而后我們的STC89C52RC由于內(nèi)部具備了UART硬件通信模塊，所以我們直接可以通過配置寄存器就可以很輕松的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的UART通信。同樣的道理，我們這個I2C通信，如果我們單片機(jī)內(nèi)部有硬件模塊的話，單片機(jī)可以直接自動實(shí)現(xiàn)I2C通信了，就不需要我們再進(jìn)行IO口模擬起始、模擬發(fā)送、模擬結(jié)束，配置好寄存器，單片機(jī)就會把這些工作全部做了。

不過我們的STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部不具備I2C的硬件模塊，所以我們使用STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行I2C通信必須用IO口來模擬。使用IO口模擬I2C，實(shí)際上更有利于我們徹底理解透徹I2C通信的實(shí)質(zhì)。當(dāng)然了，通過學(xué)習(xí)IO口模擬通信，今后我們?nèi)绻�遇到�?nèi)部帶I2C模塊的單片機(jī)，也應(yīng)該很輕松的搞定，使用內(nèi)部的硬件模塊，可以提高程序的執(zhí)行效率。

1、徹底理解I2C的通信時序，不僅僅是記住。

2、能夠獨(dú)立完成EEPROM任意地址的單字節(jié)讀寫、多字節(jié)的跨頁連續(xù)寫入讀出。

3、將前邊學(xué)的交通燈進(jìn)行改進(jìn)，使用EEPROM保存紅燈和綠燈倒計時的時間，并且可以通過UART改變紅燈和綠燈倒計時時間。

4、使用按鍵、1602液晶、EEPROM做一個簡單的密碼鎖程序。