STM32入门开发 介绍IIC总线、读写AT24C02(EEPROM)(采用模拟时序)
一、环境介绍
编程软件: keil5
操作系统: win10
MCU型号: STM32F103ZET6
STM32编程方式: 寄存器开发 (方便程序移植到其他单片机)
IIC总线: STM32本身支持IIC硬件时序的,本文采用的是模拟时序,下篇文章就介绍配置STM32的IIC硬件时序读写AT24C02和AT24C08。
模拟时序更加方便移植到其他单片机,通用性更高,不分MCU;硬件时序效率更高,单每个MCU配置方法不同,依赖硬件本身支持。
目前器件: 采用AT24C02 EEPROM存储芯片
二、AT24C02存储芯片介绍
2.1 芯片功能特性介绍
AT24C02 是串行CMOS类型的EEPROM存储芯片,AT24C0x这个系列包含了AT24C01、AT24C02、AT24C04、AT24C08、AT24C16这些具体的芯片型号。
他们容量分别是:**1K (128 x 8)、2K (256 x 8)、4K (512 x 8)、8K (1024 x 8)、16K (2048 x 8) ,**其中的8表示8位(bit)
它们的管脚功能、封装特点如下:
芯片功能描述:
AT24C02系列支持I2C,总线数据传送协议I2C,总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器;数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据(发送或接收)的模式,由于A0、A1和A2可以组成000~111八种情况,即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上,通过进行不同的配置进行选择器件。
芯片特性介绍:
(1). 低压和标准电压运行
–2.7(VCC=2.7伏至5.5伏)
–1.8(VCC=1.8伏至5.5伏)
(2). 两线串行接口(SDA、SCL)
(3). 有用于硬件数据保护的写保护引脚
(4). 自定时写入周期(5毫秒~10毫秒),因为内部有页缓冲区,向AT24C0x写入数据之后,还需要等待AT24C0x将缓冲区数据写入到内部EEPROM区域.
(5). 数据保存可达100年
(6). 100万次擦写周期
(7). 高数据传送速率为400KHz、低速100KHZ和IIC总线兼容。 100 kHz(1.8V)和400 kHz(2.7V、5V)
(8). 8字节页写缓冲区
这个缓冲区大小与芯片具体型号有关: 8字节页(1K、2K)、16字节页(4K、8K、16K)
2.2 芯片设备地址介绍
IIC设备的标准地址位是7位。上面这个图里AT24C02的1010是芯片内部固定值,A2 、A1、 A0是硬件引脚、由硬件决定电平;最后一位是读/写位(1是读,0是写),读写位不算在地址位里,但是根据IIC的时序顺序,在操作设备前,都需要先发送7位地址,再发送1位读写位,才能启动对芯片的操作,我们在写模拟时序为了方便统一写for循环,按字节发送,所以一般都是将7地址位与1位读写位拼在一起,组合成1个字节,方便按字节传输数据。
我现在使用的开发板上AT24C02的原理图是这样的:
那么这个AT24C02的标准设备地址就是: 0x50(十六进制),对应的二进制就是: 1010000
如果将读写位组合在一起,读权限的设备地址: 0xA1 (10100001) 、写权限的设备地址: 0xA0 (10100000)
2.3 对AT24C02 按字节写数据的指令流程(时序)
详细解释:
\1. 先发送起始信号
\2. 发送设备地址(写权限)
\3. 等待AT24C02应答、低电平有效
\4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的,范围是(0~255);发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来的数据改存储到哪个地方。
\5. 等待AT24C02应答、低电平有效
\6. 发送一个字节的数据,这个数据就是想存储到AT24C02里保存的数据。
\7. 等待AT24C02应答、低电平有效
\8. 发送停止信号
2.4 对AT24C02 按页写数据的指令流程(时序)
详细解释:
\1. 先发送起始信号
\2. 发送设备地址(写权限)
\3. 等待AT24C02应答、低电平有效
\4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的,范围是(0~255);发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来的数据改存储到哪个地方。
\5. 等待AT24C02应答、低电平有效
\6. 可以循环发送8个字节的数据,这些数据就是想存储到AT24C02里保存的数据。
AT24C02的页缓冲区是8个字节,所有这里的循环最多也只能发送8个字节,多发送的字节会将前面的覆盖掉。
需要注意的地方: 这个页缓冲区的寻址也是从0开始,比如: 0~7算第1页,8~15算第2页…依次类推。 如果现在写数据的起始地址是3,那么这一页只剩下5个字节可以写;并不是说从哪里都可以循环写8个字节。
详细流程: 这里程序里一般使用for循环实现
(1). 发送字节1
(2). 等待AT24C02应答,低电平有效
(3). 发送字节2
(4). 等待AT24C02应答,低电平有效
…
最多8次.
\7. 等待AT24C02应答、低电平有效
\8. 发送停止信号
2.5 从AT24C02任意地址读任意字节数据(时序)
AT24C02支持当前地址读、任意地址读,最常用的还是任意地址读,因为可以指定读取数据的地址,比较灵活,上面这个指定时序图就是任意地址读。
详细解释:
\1. 先发送起始信号
\2. 发送设备地址(写权限)
\3. 等待AT24C02应答、低电平有效
\4. 发送存储地址、AT24C02内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的,范围是(0~255);发送这个存储器地址就是告诉AT24C02接下来应该返回那个地址的数据给单片机。
\5. 等待AT24C02应答、低电平有效
\6. 重新发送起始信号(切换读写模式)
\7. 发送设备地址(读权限)
\8. 等待AT24C02应答、低电平有效
\9. 循环读取数据: 接收AT24C02返回的数据.
读数据没有字节限制,可以第1个字节、也可以连续将整个芯片读完。
\10. 发送非应答(高电平有效)
\11. 发送停止信号
三、IIC总线介绍
3.1 IIC总线简介
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备,是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。具有接口线少,控制方式简单,器件封装形式小,通信速率较高等优点。
I2C规程运用主/从双向通讯。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。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
I2C 总线通过串行数据(SDA)线和串行时钟(SCL)线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别,而且都可以作为一个发送器或接收器(由器件的功能决定)。
I2C有四种工作模式:
1.主机发送
2.主机接收
3.从机发送
4.从机接收
I2C总线只用两根线:串行数据SDA(Serial Data)、串行时钟SCL(Serial Clock)。
总线必须由主机(通常为微控制器)控制,主机产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。
SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变。
3.2 IIC总线上的设备连接图
I2C 总线在物理连接上非常简单,分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制,来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时,这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高,保持着高电平。
其中上拉电阻范围是4.7K~100K。
3.3 I2C总线特征
I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备,而且每一个从设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)。主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信,在通常的应用中,我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备,把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。
1. 总线上能挂接的器件数量
I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制,如果所挂接的是相同型号的器件,则还受器件地址的限制。
一般I2C设备地址是7位地址(也有10位),地址分成两部分:芯片固化地址(生产芯片时候哪些接地,哪些接电源,已经固定),可编程地址(引出IO口,由硬件设备决定)。
例如: 某一个器件是7 位地址,其中10101 xxx 高4位出厂时候固定了,低3位可以由设计者决定。
则一条I2C总线上只能挂该种器件最少8个。
如果7位地址都可以编程,那理论上就可以达到128个器件,但实际中不会挂载这么多。
2. 总线速度传输速度:
I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整。
3. 总线数据长度
I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。
3.4 I2C总线协议基本时序信号
空闲状态: SCL和SDA都保持着高电平。
起始条件: 总线在空闲状态时,SCL和SDA都保持着高电平,当SCL为高电平期间而SDA由高到低的跳变,表示产生一个起始条件。在起始条件产生后,总线处于忙状态,由本次数据传输的主从设备独占,其他I2C器件无法访问总线。
停止条件: 当SCL为高而SDA由低到高的跳变,表示产生一个停止条件。
答应信号: 每个字节传输完成后的下一个时钟信号,在SCL高电平期间,SDA为低,则表示一个应答信号。
非答应信号: 每个字节传输完成后的下一个时钟信号,在SCL高电平期间,SDA为高,则表示一个应答信号。应答信号或非应答信号是由接收器发出的,发送器则是检测这个信号(发送器,接收器可以从设备也可以主设备)。
注意:起始和结束信号总是由主设备产生。
3.5 起始信号与停止信号
起始信号就是: 时钟线SCL处于高电平的时候,数据线SDA由高电平变为低电平的过程。SCL=1;SDA=1;SDA=0;
停止信号就是: 时钟线SCL处于低电平的时候, 数据线SDA由低电平变为高电平的过程。SCL=1;SDA=0;SDA=1;
3.6 应答信号
数据位的第9位就时应答位。 读取应答位的流程和读取数据位是一样的。示例: SCL=0;SCL=1;ACK=SDA; 这个ACK就是读取的应答状态。
3.7 数据位传输时序
通过时序图了解到,SCL处于高电平的时候数据稳定,SCL处于低电平的时候数据不稳定。
那么对于写一位数据(STM32—>AT24C02): SCL=0;SDA=data; SCL=1;
那么对于读一位数据(STM32<-----AT24C02): SCL=0;SCL=1;data=SDA;
3.8 总线时序
四、IIC总线时序代码、AT24C02读写代码
在调试IIC模拟时序的时候,可以在淘宝上买一个24M的USB逻辑分析仪,时序出现问题,使用逻辑分析仪一分析就可以快速找到问题。
4.1 iic.c 这是IIC模拟时序完整代码
#include "iic.h"
/*
函数功能:IIC接口初始化
硬件连接:
SDA:PB7
SCL:PB6
*/
void IIC_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3;//PB
GPIOB->CRL&=0x00FFFFFF;
GPIOB->CRL|=0x33000000;
GPIOB->ODR|=0x3<<6;
}
/*
函数功能:IIC总线起始信号
*/
void IIC_Start(void)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高
IIC_SCL=1; //时钟线拉高
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SCL=0; //时钟线拉低
}
/*
函数功能:IIC总线停止信号
*/
void IIC_Stop(void)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低
IIC_SCL=0; //时钟线拉低
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SCL=1; //时钟线拉高
DelayUs(4); //电平保持时间
IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高
}
/*
函数功能:获取应答信号
返 回 值:1表示失败,0表示成功
*/
u8 IIC_GetACK(void)
{
u8 cnt=0;
IIC_SDA_INPUTMODE();//初始化SDA为输入模式
IIC_SDA_OUT=1; //数据线上拉
DelayUs(2); //电平保持时间
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要数据
DelayUs(2); //电平保持时间,等待从机发送数据
IIC_SCL=1; //时钟线拉高,告诉从机,主机现在开始读取数据
while(IIC_SDA_IN) //等待从机应答信号
{
cnt++;
if(cnt>250)return 1;
}
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要数据
return 0;
}
/*
函数功能:主机向从机发送应答信号
函数形参:0表示应答,1表示非应答
*/
void IIC_SendACK(u8 stat)
{
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要发送数据
if(stat)IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高,发送非应答信号
else IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低,发送应答信号
DelayUs(2); //电平保持时间,等待时钟线稳定
IIC_SCL=1; //时钟线拉高,告诉从机,主机数据发送完毕
DelayUs(2); //电平保持时间,等待从机接收数据
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要数据
}
/*
函数功能:IIC发送1个字节数据
函数形参:将要发送的数据
*/
void IIC_WriteOneByteData(u8 data)
{
u8 i;
IIC_SDA_OUTMODE(); //初始化SDA为输出模式
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要发送数据
for(i=0;i<8;i++)
{
if(data&0x80)IIC_SDA_OUT=1; //数据线拉高,发送1
else IIC_SDA_OUT=0; //数据线拉低,发送0
IIC_SCL=1; //时钟线拉高,告诉从机,主机数据发送完毕
DelayUs(2); //电平保持时间,等待从机接收数据
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要发送数据
DelayUs(2); //电平保持时间,等待时钟线稳定
data<<=1; //先发高位
}
}
/*
函数功能:IIC接收1个字节数据
返 回 值:收到的数据
*/
u8 IIC_ReadOneByteData(void)
{
u8 i,data;
IIC_SDA_INPUTMODE();//初始化SDA为输入模式
for(i=0;i<8;i++)
{
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要数据
DelayUs(2); //电平保持时间,等待从机发送数据
IIC_SCL=1; //时钟线拉高,告诉从机,主机现在正在读取数据
data<<=1;
if(IIC_SDA_IN)data|=0x01;
DelayUs(2); //电平保持时间,等待时钟线稳定
}
IIC_SCL=0; //时钟线拉低,告诉从机,主机需要数据 (必须拉低,否则将会识别为停止信号)
return data;
}
4.2 AT24C02.c 这是AT24C02完整的读写代码
#include "at24c02.h"
/*
函数功能:检查AT24C02是否存在
返 回 值:1表示失败,0表示成功
*/
u8 At24c02Check(void)
{
u8 data;
At24c02WriteOneByteData(255,0xAA);
data=At24c02ReadOneByteData(255);
if(data==0xAA)return 0;
else return 1;
}
/*
函数功能:AT24C02随机读数据
函数形参:读取的地址(0~255)
返 回 值:读出一个数据
*/
u8 At24c02ReadOneByteData(u32 addr)
{
u8 data;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置读取数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
data=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
return data;
}
/*
函数功能:AT24C02写一个字节的数据
函数形参:
addr:写入的地址(0~255)
data:写入的数据
*/
void At24c02WriteOneByteData(u32 addr,u8 data)
{
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置写入数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(data); //设置写入的数据
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Stop(); //停止信号
DelayMs(10); //等待写入完毕
}
/*
函数 功 能:AT24C02当前位置读一个字节数据
函数返回值:读出的数据
*/
u8 At24c02CurrentAddrReadOneByteData(void)
{
u8 data;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
data=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
return data;
}
/*
函数功能:AT24C02连续读数据
函数形参:
u8 addr //读取的地址(0~255)
u8 len //读取的长度
u8 *buff //读出的数据存放缓冲区
*/
void At24c02ReadByteData(u32 addr,u8 len,u8 *buff)
{
u8 i;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置读取数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_READ_ADDR); //设置读模式
IIC_GetACK();//获取应答
for(i=0;i<len;i++)
{
buff[i]=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
IIC_SendACK(0); //发送应答信号
}
IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
IIC_Stop(); //停止信号
}
/*
函数功能:AT24C02页写
函数形参:
addr:写入的地址(0~255)
*data:写入的数据缓冲区
len :写入的长度
1. 页写的缓冲区大小是8个字节,一次最多写8个字节进去。
2. 页写的地址是固定的。
0~7 是第一页
8~15是第二页
*/
void At24c02PageWrite(u32 addr,u8 *data,u8 len)
{
u8 i;
IIC_Start(); //发送起始信号
IIC_WriteOneByteData(AT24C02_WRITE_ADDR); //设置写模式
IIC_GetACK();//获取应答
IIC_WriteOneByteData(addr); //设置写入数据的位置
IIC_GetACK();//获取应答
for(i=0;i<len;i++)
{
IIC_WriteOneByteData(data[i]); //设置写入的数据
IIC_GetACK();//获取应答
}
IIC_Stop(); //停止信号
DelayMs(10); //等待写入完毕
}
void AT24C02_WriteData(u32 addr,u8 *data,u8 len)
{
u32 page_remain=8-addr%8; //一页剩余的字节数量
if(page_remain>=len)
{
page_remain=len;
}
while(1)
{
At24c02PageWrite(addr,data,page_remain);
if(page_remain==len)
{
break;
}
addr+=page_remain;
data+=page_remain;
len-=page_remain;
if(len>=8)page_remain=8;
else page_remain=len;
}
}
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