代码收藏家技术教程 2024-02-22

AT24C02单片机学习笔记：深入理解I2C总线

有关储存器的介绍

存储器的简介

存储器简化模型

AT24C02介绍

AT24C02引脚及应用电路

I2C总线介绍

I2C电路规范

开漏输出模式和弱上拉模式

其中一个设备的内部结构

I2C通信是怎么实现的

I2C时序结构

起始条件和终止条件

发送一个字节

接收一个字节

发送应答和接收应答

I2C数据帧

发送一帧数据

接收一帧数据

先发送再接收数据帧（复合格式）

有关储存器的介绍

存储器的简介

RAM：随机储存，断电丢失数据，存储比较快。

SRAM：是最快的，内部是锁存器，D触发器，用电路来储存数据，一般用于电脑的CPU高速缓存。

DRAM：利用电容的充放电以达到储存数据的目的，充电就是高电平，放完电之后就是低电平，因为电容存在漏电现象，要配一个扫描电路，每隔一段时间就补电，电脑中的内存条和手机里的运行内存是动态RAM。

ROM：只读储存，断电不丢失数据，存储比较慢

Mask ROM：不能写入，只能读取

PROM：升级版Mask ROM，只能写入一次

EPROM：三十分钟紫外线照射可擦除

E2PROM：5V低压电即可擦除

以上四个ROM可以说是一个家族的。

Flash：目前应用最广

硬盘：C盘……（应用磁相关的原理存储）

软盘：以前的A盘和B盘（现在我们电脑上基本没有应用软盘了，所以从C盘开始）

光盘：应用光信号存储数据

存储器简化模型

我们的存储器在内部实际上都是像一种网格的结构。

横向的线称为地址总线，用来选中哪一根线就是我们的哪一个地址；

纵向的线称为数据总线，数据是从下面出来的。

那数据是怎么存的呢？

比如说我们选中了第一行的地址总线，我们给它加上一个高电平1，其他的暂时都不接。然后，先说一下这些网格的交错处是不连接的，我们现在把交错的第一个节点、第二和第三个节点给连上，其他的都不连。那我们现在读取一下下面这八位数据，是怎样的呢？

我们连上了那三个节点后，数据就可以顺着前三根数据总线下来了，它们下来是1，第一行的其他交错节点都没连，所以数据不能下来，因此把它当做0。

这样我们第一行存的数据下来就是11100000，其他种情况同理，这样就可以存储不同的数据。

这就是存储器存储数据的最基本的原理。

我们就知道了如何在这里储存，就是控制我们的节点短路和断路这一个过程。

Mask ROM的内部交错处结构是这样的

如果我们想要存储断开，就是什么都不接，它存的就是0

如果我们想要把它短路，为了它们不相互干扰，就可以接一个二极管（二极管是单向的）。当高电平过来的时候，就可以通过，但是想要从其他地方串过来就不行了。

厂家做Mask ROM的时候，如果你告诉它需要存储某个数据，他们就会连上哪一个节点，这个电路一旦完成，就相当于焊死了，所以不能再改了，所以早期的ROM只能读，不能写。

之后出现了一种PROM，它是升级版的Mask ROM，只能写入一次。

它的内部交错处结构是这样的（把每一个节点都做成这种形状）

两根二极管头对头，即使它过来也通不过去，即使通过了第一个，它也通不过第二个，相当于一种断路。

但是这个蓝色的二极管有个特点就是容易被击穿。二极管有个特性就是它反向是截止的，但是当反向电压超过一定数值之后，它就会被击穿，击穿之后它变成短路了，这就是由断路变成短路的变成状态。

所以如果在这种结构的左边接一个高电压的时候，比如说12V，或者24V等等，然后右边下面我们接一个0V（接GND），这时那个标为蓝色的二极管两端就承受了24V的高电压，所以它就被击穿了。

揭穿之后就相当于变成这种结构（相当于短路）

因此我们可以一次选中，相应击穿就得到我们想要的数据。二极管一旦被击穿之后（烧毁），不能恢复，所以是一次性的，所以只能写入一次。

所以我们平时说下载程序，也可以说是“烧录程序”，因为早期的确是烧录，就是把里面的二极管烧毁。

早期的单片机有一个控制引脚，它在编程的时候需要加一个高电压（编程电压），就是用来击毁里面的这个二极管。

这种情况（击穿相当于短路，不击穿相当于断路）和保险丝比较像，如果我们在这里都接上保险丝的话，它就有一个特点，就是它没有被烧断的时候是短路，但是如果加上大电流，这个保险丝就被烧断了，烧断的时候就是断路，这样也能控制我们的编程。

因此PROM有一种是二极管击穿型，一种是保险丝型。

可以说之后发展出来的可重复多次写入的ROM就是利用一种可以让断路变成短路（起死回生）的材料或者原理方法实现了可逆性击毁，比如可擦除的ROM。

因为在地址总线一次只能选中一行，所以我们一般都会加一个译码器（138译码器），它可以把多位数据（地址）变成输入端只有一位被选中的输出端（串行输入，并行输出）。

总而言之，在译码器之前就是输出我们实际的地址，下面就输出数据。

接下来是本节的主角！

AT24C02介绍

AT24C02是一种可以实现掉电不丢失的存储器，可用于保存单片机运行时想要永久保存的数据信息

存储介质：E2PROM（电可擦除可编程ROM ）

通讯接口：I2C总线

容量：256字节

AT24C02引脚及应用电路

只要接这个范围内的电压就可以工作1.8V-5.5V。

接WP的这个7号引脚直接接了GND，所以这个芯片没有用到写保护功能，如果需要这个功能的话，可以将这个引脚接在IO口或者开关上。

A0，A1，A2是可以选择的接都到VCC或者接到GND，这里全部接到GND，代表这三个都是0。

SCL和SDA引出去分别接了一个4.7K的上拉电阻。

我们开发板的EEPROM模块的原理图：

VSS=GND，VDD=VCC，E0=A0，E1=A1，E2=A2，WE=写使能（低电平使能，高电平保护），这里SCL和SDA没有接上拉电阻因为我们单片机的每个IO口都已经接了一个上拉电阻。

这一部分是I2C协议规范所需要的

我们看一下EEPROM模块的内部框图

这一块都是和I2C接口协议有关的东西

我们现在讲的是下面标蓝色的这一块

然后这部分是用来数据擦除的部分：

这个是地址寄存器

具体里面的电路是怎么工作的就不具体介绍了，我们主要大概了解到这里是把I2C数据拿进来，通过一些逻辑执行操作就可以了。

本节的重难点来了

I2C总线介绍

I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）

同步（因为有同步的时钟线SCL）、半双工（双向分时，因为SDA只有一根线，而且哟啊负责来回通信，所以只能分时地复用一根线），带数据应答（在发送一个字节数据之后，要求对方接收到数据之后给它一个应答，判断是否发送成功，所以I2C总线的检测应答的功能还是比较完备的，而我们之前学习的串口就没有，串口发出数据后没有检测应答，弊端就是不知道对方在不在线）

通用的I2C总线，可以使各种设备的通信标准统一，对于厂家来说，使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性，对于应用者来说，使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议，降低了学习和应用的难度

上图是常用的I2C设备

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题

I2C电路规范

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起（不像我们前几节学的串口UART通信的TXD和RXT要交叉连接）

开漏输出模式和弱上拉模式

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式（单片机的IO口是弱上拉模式）

开漏输出模式是因为高电平驱动能力弱，相当于断开。

SCL和SDA各添加一个上拉电阻（当有空闲设备不通信时，可能会影响到正在通信的设备，所以需要加上拉电阻，使其空闲设备处于一个高阻态（不是高电平也不是低电平）的情况下，这样空闲设备就会断路），阻值一般为4.7KΩ左右

开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”（有一个低电平就是低电平0）的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题

我们知道如果CPU想要和其中一个设备通信的话，那么最好的状态就是其他的设备不要影响它，则其他设备相当于断开。CPU跟其中一个设备通信的时候，其他引脚全部输出1，相当于断开，这样就不会干扰到CPU和它的通信了。因此用开漏模式就可以解决多机通信互相干扰的问题。

如果所有设备用弱上拉模式的话，即使开关断开输出1，还是有一个上拉电阻碍事，虽然也不会有太大影响，但是总归不太好。如果接多了上拉电阻，电阻并联，上拉能力肯定越来越强，会干扰通信。所以所有设备都开漏，那数字1就发送不出去。

所以我们在外面接两个电阻，当所有设备都断开的时候，这两个电阻充当上拉能力。CPU想发0的时候，就把输出口拉到低电平。想发1的时候，就松手不拉了，输出口就会被外部的电阻自动拉到高电平。当其他设备没有进行通信的时候，直接输出1，对我们的电路没有干扰（没有干扰是因为内部没有向外部输出，输出的1是外部上拉提供的，这里上拉电阻是将总线的拉成高电平，当连接在总线上的任意一个设备输出低电平时，总线被拉低就是输出了低电平。）

其中一个设备的内部结构

这幅图是其中一个设备的内部结构

下面这个东西是一个输入的缓存，可以把它想象成一个电压表

它可以检测这个点的电压进行操作，

它的输入阻抗是很大的，所以这个一点就相当于是断开

这个东西就相当于一个电子开关：给低电平相当于它导通，如果给高电平相当于它断开

如果给高电平这个电子开关断开，而旁边这条线路也是断开的，所以这这根引脚就是断开的，就可以不干扰外界。

I2C通信是怎么实现的

下面举一个小例子能够更明白I2C通信是怎么实现的：

比如现在有个弹簧控制着一根杆子的升降，杆子上面左右两边都有一根标尺。在A和B两个人眼前，他们两个人可以通过标尺的升降来判断对方发给自己的数据是1还是0，如果两人是松手的状态，标尺就不动，说明发给对方的数据是1，如果其中一人伸手拉下了杆子，那么标尺就会下降，对方就知道发送过来的数据是0，如果松手，标尺上升则代表发送过来的数据是1。

I2C的标准可以想象成如果再A和B之间再多站几个人的话，这几个人都会被标成一个地址，如果主机想要和他们其中一个通信，那么只需要通过时序去发送地址就找到从机。比如说一开始主机摇摇杆子，所有人看到杆子被摇了，说明有人想要开始了，然后主机开始发1/0的数据（通过松手拉下来松手拉下来）就把地址发送出去，其他人看这个地址跟自己一样，就知道主机在找他，就会默认跟主机构建联系，其他人发现地址和自己的不一样，就什么不管，不会去干扰通信。主机就和地址一样的那个人开始通信（双方拉杆子交流）。

接下来就开始正式介绍I2C时序结构：

I2C时序结构

起始条件和终止条件

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平（主机开始摇杆子）

终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

注意：SCL高电平期间读取数据位时：

PS：我们的单片机是主机，24C02是从机。主机和从机的程序是不一样的，我们只写主机，从机是主动检测的，从机读取数据的时候是程序自动完成的，我们只需要把主机的时序模拟出来就好了。

接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA，将SDA置1就相当于释放，释放的时候主机是完全不干扰这个通信线的。换言之就是主机释放掉数据线之后，把对线的控制权交给从机，从机就把它拉下来/松手。如果主机是在拉下来的状态把控制权交给从机的话，那从机不论发啥都是0）