AVR学习笔记九基于AT24C16的数据存储实验.docx
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AVR学习笔记九基于AT24C16的数据存储实验
Ema{@AVR学习笔记九、基于AT24C16的数据存储实验
-------基于LT_Mini_M16
9.1用I/O口模拟I2C总线实现AT24C16的读写
9.1.1、实例功能
I2C总线（InterIntegrateCircuitBUS）全称为芯片间总线，是Philips公司推出的一种双向二进制总线。
它在芯片间以两根连线实现全双工同步数据传送，一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL），可以很方便的构成外围器件扩展系统。
I2C总线协议允许总线介入多个期间，总线上的器件既可以作为主控制器也可以作为被控制器，既可以是发送器，也可以是接收器。
I2C总线在进行数据交换时，作为主控制器的器件需要通过总线竞争获得主控权，然后才可以启动数据传输。
系统中每个器件都具有唯一的芯片地址，数据传输时通过寻址可以确定数据接收方。
I2C总线自从出现以后，得到了广泛应用。
I2C总线结构简单，可靠性和抗干扰性好，可构成各种通用的硬件和软件模块。
方便重复利用，大大简化了系统的设计过程。
I2C总线的实现有两种方法：
一、软件模拟I2C通信协议实现数据传输，二、利用硬件I2C接口实现数据传输。
ATmega16单片机集成了硬件I2C模块，称为TWI接口，TWI电路结构简单，只占用两个I/O口，可以实现多个器件共享一条总线，使用比较方便，系统也很简洁。
AVR单片机用硬件实现了这种总线的时序，省去了很多编程工作。
只要控制相关的寄存器，就可以实现通过TWI总线传输数据。
但是使用硬件I2C接口的缺点是接口固定，在特定的系统里面，会增加硬件和软件设计的复杂程度。
在本例中我们采用模拟I2C总线时序的方法实现I2C通信。
软件模拟I2C时序的方法增加了软件的复杂程度，但是方便了硬件设计，模拟I2C接口可以使用单片机的如何普通I/O口。
本节首先介绍I2C总线的的一些基本知识：
特点、结构、原理、控制时序、与单片机的接口方法等。
最后通过一个实例实现模拟I2C接口。
本实例分为三个功能模块，分别描述如下：
●单片机系统：
利用ATmega16单片机与AT24C16实现数据传输，利用模拟I2C总线接口的方法读写AT24C16。
●外围电路：
外围电路分两部分：
LED显示部分（用于指示从AT24C16中读取的数值正确与否）、AT24C16接口电路电路（实现模拟I2C总线功能）。
●软件程序：
编写软件，实现对AT24C16的数据读写。
通过本实例的学习，掌握以下内容：
●理解AT24C16的特点、结构和原理和接口设计方法。
●掌握AT24C16的控制时序和控制方法流程。
●掌握模拟I2C总线的设计方法。
9.1.2器件和原理
1、I2C总线介绍
AT24C16的外形级封装和引脚说明如图9.1.1。
图9.1.1AT24C16的外形封装和引脚说明
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。
主器件控制串行时钟和起始、停止信号的发生。
主器件何从期间都可以发送或接收数据，但是主器件控制数据传送模式（发送或者接收）。
通过器件地址输入端A0、A1、A2可以实现讲最多8个at24c01器件和a424c02器件、4个at24c04器件、2个at24c08器件、1个at24c16器件连接到总线上。
当总线上只有一个器件时，A0、A1、A2可以连接到地或者悬空。
WP写保护引脚：
当该引脚连接到VCC，I2C器件内的内容被写保护（只能读）。
如果允许对器件进行正常的读写，那么WP引脚需连接到地或者悬空。
2、I2C总线接口
I2C总线的信号线有两种：
●时钟线SCL。
●数据线SDA。
SCL和SDA都是双向总线，I2C总线为同步传输串行总线结构，及总线上的数据信号完全与时钟同步。
数据传输采用主从方式：
主器件寻址从器件，启动总线数据传输，并产生时钟脉冲。
总线传输中的所有状态及操作都有相应的编码，主器件依照这些协议编码自动地进行总线控制与管理。
从器件接收主器件的请求并应答。
数据传输结束后，主器件将总线释放。
当总线空闲时，SCL和SDA均为高电平。
连接到总线上的器件的输出端口必须是漏极开路，任一器件输出低电平时，总线信号变低。
即总线SCL和SDA上的信号都是线“与”的关系。
由于SDA和SCL的端口输出都是漏极开路，因此总线上必须连接上拉电阻。
上拉电阻的大小与电源电压、传输速率等有关系。
当传输速率为100KHz时，上拉电阻一般采用10K，对于400KHz的传输速率，上拉电阻可以采用2K欧姆。
9.1.3、I2C总线的寻址方式
I2C总线上的器件都是共用总线的，因此，主器件在进行数据传输前必须选择需要通信的从器件。
即进行总线寻址。
I2C总线上所有外围器件都有唯一的地址，这个地址由器件地址和引脚地址两部分组成。
共7位。
器件地址是I2C器件固有的地址编码，器件出厂时已经给定，不可更改。
引脚地址由I2C总线外围器件的地址引脚A0、A1、A2决定，根据其在电路中接电源正极、接地或者悬空的不同，形成不同的地址代码。
引脚地址数也决定了同一器件可接入总线的最大数目。
地址位与一个方向位共同构成I2C总线器件寻址字节。
寻址字节的格式如图所示；方向位（R/W）规定了总线上主器件与外围器件（从器件）的数据传输方向。
当方向位R/W=1时，表示主器件读取从器件的数据；R/W=0时，表示主器件向从器件发送数据。
9.1.4、I2C总线的数据传输协议
I2C总线的数据传输遵循严格的时序格式，下面分别介绍数据传输过程中的格式。
1、起始信号、终止信号
在时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA上出现高电平向低电平变化的下降沿时，被认为是起始信号。
起始信号出现以后，后面才可以进行寻址或数据传输等。
在时钟信号SCL高电平期间，数据线SDA上出现由低电平到高电平变化的上升沿时，被认为是终止信号。
终止信号一出现，所有总线操作都结束，主器件释放总线控制权。
起始信号、终止信号的时序如下图所示。
2、数据读写
当SCL为高电平期间，SDA上的数据必须保持不变，如果此时SDA上的电平发生变化，则会被认为是起始或者终止信号。
只有在SCL为低电平期间，SDA上的数据才能发生变化。
所以在进行读取SDA上的数据时，必须使SCL处于低电平。
3、总线数据位
每次发送到I2C总线SDA上的数据必须是一个字节，传输的数据字节按照由高位到低位的顺序发送。
在I2C总先启动后或应答信号后的第1-8个时钟脉冲，对应于要传送字节的8位数据。
I2C总线上的数据是伴随着时钟脉冲，一位一位的传送的，每位数据占一个时钟脉冲。
在时钟线SCL高电平期间，数据线SDA的状态就表示要传送的数据，高电平为数据1，低电平为数据0.在数据传送时，数据线上数据的变化在时钟线为低电平时完成；而时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定，否则数据线上的任何变化都被当成起始或者终止信号，从而导致数据传输停止。
4、应答信号、非应答信号
I2C总线数据传送时，每传送一个字节数据后都必须有应答信号。
应答信号由主器件产生。
主器件在第9个时钟位上释放数据总线，使其处于高电平状态，此时从器件输出低电平拉低数据线产生应答信号。
在传送完一个字节数据后，在第9个时钟位上，从器件输出高电平为非应答信号。
非应答信号的产生有两种情况：
●当从器件正在进行其他处理而无法接收总线上的数据时，从器件不产生应答，此时从器件释放总线，将数据线置为高电平。
这样，主器件可产生一个停止信号来终止总线传输数据。
●当主器件接收来自从器件的数据时，接收到最后一个字节数据后，必须给从器件发送一个非应答信号，使从器件释放数据总线。
这样，主器件才可以发送终止信号，从而终止数据传送。
5、数据传送格式
I2C总线协议规定了完整的数据传送格式。
按照协议规定，数据的传输以主器件发送起始信号开始，然后发送寻址从器件的寻址字节。
寻址字节共8位，前7位为被寻址的从器件（对于AT24C16来说，由于总线上只能连接1个AT24C16，所以对AT24C16的寻址字节，高4位固定为1010，1-3位则是其内部页地址的高3位），第0位是方向位。
在寻址字节后面跟着操作地址，操作地址指明了对被寻址器件内部的某一位或某几位进行操作。
操作地址之后跟的就是要传输的数据了，数据传输结束后，主器件发送一个终止信号以释放总线控制权。
数据可以单字节传输，也可以多字节传输，如果主器件希望继续占用总线，则可以不发送停止信号，马上再次发送起始信号，便可以进行新的操作。
9.1.5AT24C16的内部数据存储结构
AT24C16内部有2048*8位的存储容量，即可以存储2K字节的数据。
这2K字节被放在128个页内，每页存放16个字节。
所以对AT24C16内部的访问需要11位地址（0-7ff）。
对AT24C16访问时，按照页地址和页偏移量的方式进行访问。
比如要访问第100页的第3个字节，则在发送寻址的时候，就要发送0X0643,其中页地址的高三位放在器件地址中。
所以在编写程序对AT24C16第100页的第3个字节进行写数据的时候，步骤如下：
1）发送起始信号；2）发送器件地址0XA6（10100110，1010是固定地址，011是页地址的高三位，0表示写操作）；3）发送操作地址0X43（01000011，0100是页地址的低四位，0011是页地址偏移量，即第100页内的第三个字节，4）发送要写的数据，5）发送终止信号。
9.1.6、电路和连接
LED发光二极管电路已经在第一个实例中介绍过，本例中不再重复。
本例中AT24C16与单片机的连接如图9.1.2所示，由于AT24C16的数据线、时钟线要求空闲状态为高电平，所以我在AT24C16的数据线和时钟线上分别加了4.7K的上拉电阻，如果不想接上拉电阻的话，可以使能PA2口的内部上拉功能，但是程序设计会有些不同。
AT24C16的数据线SDA、时钟线SCL分别连到单片机的PC1、PC0口。
图9.1.2AT24C16电路
7.1.4、程序设计
1、程序功能
程序的功能是使用单片机的PC1、PC0口的模拟I2C总线时序实现对AT24C16的数据读写操作，然后用LED的亮灭指示读取数据的正确性。
2函数说明
本程序多个功能函数，分别是：
●AT24C16操作相关函数：
voidI2C_Init（void）;//I2C端口初始化
unsignedcharI2C_Start（void）;//发送起始信号
voidI2C_Stop（void）;//发送结束信号
unsignedcharI2C_WriteByte（unsignedchardat）;//写一个字节
unsignedcharI2C_ReadByte（unsignedcharack）;//读一个字节
unsignedcharEEPROM_ReadByte（unsignedintadd）;//从固定地址读一字节
voidEEPROM_WriteByte（unsignedintadd,unsignedchardata）;//向固定地址写一字节●延时相关函数：
voidDelayus（unsignedintlus）;//us延时函数
voidDelayms（unsignedintlms）;//ms延时函数
由于WINAVR自带函数库中的延时函数使用起来很不方便，并且晶振频率不同，延时时间也有区别，所以本实例中自己写了两个延时函数。
3、使用WINAVR开发环境，使用的是外部12M的晶振，所以需要将makefile文件中的时钟频率修改为12M。
另外在程序烧录到单片机的时候，熔丝位也要选择为外部12M晶振（注意是晶振，不是外部振荡器，一定不要选择错了，否则会导致单片机不能再烧写程序）。
4、程序说明。
在本实例中我们首先了解了I2C总线的原理和特点，用模拟I2C总线接口的方式实现了对AT24C16的读写操作。
5、程序代码
#include//io端口寄存器配置文件，必须包含
#include
//端口声明
/*注:
AVR单片机I/O口模拟I2C总线时建议在外部连接上拉电阻,这样可通过改变I/O口输入输出方向的方式
来设置高低电平，输出口保持不变（0），此时如DDRX寄存器为1则变成输出0，若DDRX为0,则I/O口
呈现高阻状态,但因外部的上拉电阻,总线相当于设置高电平，即通过设置DDRX的方式控制总线的高低
*/
#defineSCL_INPUT（DDRC&=~（1<#defineSCL_OUTPUT（DDRC|=（1<#defineSCL_LOW（PORTC&=~（1<#defineSCL_HIGH（PORTC|=（1<#defineSCL_INDATA（PINC&（1<#defineSDA_INPUT（DDRC&=~（1<#defineSDA_OUTPUT（DDRC|=（1<#defineSDA_LOW（PORTC&=~（1<#defineSDA_HIGH（PORTC|=（1<#defineSDA_INDATA（PINC&（1<//变量声明
#defineEEPROM_BUS_ADDRESS0xa0//器件地址
//函数声明
voidDelayus（unsignedintlus）;//us延时函数
voidDelayms（unsignedintlms）;//ms延时函数
voidI2C_Init（void）;//I2C端口初始化
unsignedcharI2C_Start（void）;//发送起始信号
voidI2C_Stop（void）;//发送结束信号
unsignedcharI2C_WriteByte（unsignedchardat）;//写一个字节
unsignedcharI2C_ReadByte（unsignedcharack）;//读一个字节
unsignedcharEEPROM_ReadByte（unsignedintadd）;//从固定地址读一字节
voidEEPROM_WriteByte（unsignedintadd,unsignedchardata）;//向固定地址写一字节
intmain（void）//GCC中main文件必须为返回整形值的函数，没有参数
{
unsignedchari;
PORTB=0x00;
DDRB=0xFF;//端口PortB设为输出口，通过相应位LED的变化指示程序运行结果
I2C_Init（）;//I2C端口初始化
EEPROM_WriteByte（0x01aa,0x5a）;
//向固定地址写一字节,向第26页的第十个字节写入数据0x5a
i=EEPROM_ReadByte（0x01aa）;//从固定地址读一字节
if（i==0x5a）
{
PORTB|=0x01;//读出的数据正确，则LED0点亮
}
else
{
PORTB|=0x02;//读出的数据不正确，则LED1点亮
}
while
（1）
{
}
}
//I2C初始化函数
voidI2C_Init（void）
{
SCL_LOW;//SCL的PORT状态锁定为0，以后不再改变
SCL_INPUT;//SCL设置为输入口
SDA_LOW;//SDA的PORT状态锁定为0，以后不再改变
SDA_INPUT;//SDA设置为输入口
Delayus（10）;
}
//I2C起始条件
unsignedcharI2C_Start（void）
{
Delayus（10）;
SDA_INPUT;//SDA高电平
Delayus（10）;//延时一段时间，使单片机时钟频率符合I2C时钟
SCL_INPUT;//SCL高电平
Delayus（10）;
SDA_OUTPUT;//SDA变低，产生由高到低的变化
Delayus（10）;
SCL_OUTPUT;//SCL变低，占用总线
Delayus（10）;
return1;
}
//I2C结束条件
voidI2C_Stop（void）
{
Delayus（10）;
SDA_OUTPUT;//SDA低电平
Delayus（10）;
SCL_INPUT;//SCL高电平
Delayus（10）;
SDA_INPUT;//SDA变为高电平，产生由低到高的变化
Delayus（10）;
}
//向I2C写一个字节
unsignedcharI2C_WriteByte（unsignedchardat）
{
unsignedchari,ack;//ack为应答信号
for（i=0;i<8;i++）//写8位（1个字节）数据
{
if（dat&0x80）//写入数据，左移，从最高位写入
{
SDA_INPUT;//如果该位为1，SDA拉高电平
}
else
{
SDA_OUTPUT;//如果该位为0，SDA拉低电平
}
SCL_INPUT;//SCL高电平，保持数据
Delayus（10）;
SCL_OUTPUT;//SCL低电平，数据被送入I2C
dat<<=1;//需要写入的数据左移一位，送最高位
Delayus（10）;//
}
Delayus（10）;
SDA_INPUT;//SDA拉高，同时变为输入口
Delayus（10）;
SCL_INPUT;//SCL拉高，准备读取应答信号
Delayus（10）;
if（SDA_INDATA）
{
ack=0;//如果此时SDA为高，说明没有应答信号
PORTB|=0x04;//没有应答信号，点亮LED2
}
else
{
ack=1;//如果此时SDA为低，说明有应答信号
PORTB|=0x08;//有应答信号，点亮LED3
}
SCL_OUTPUT;//SCL拉低
Delayus（10）;
returnack;//返回应答信号
}
//从I2C读一个字节
unsignedcharI2C_ReadByte（unsignedcharack）
{
unsignedchari,dat=0;//dat为读出的数据
SDA_INPUT;//SDA变为输入口
for（i=0;i<8;i++）//读出8位（1个字节）数据
{
Delayus（10）;
SCL_OUTPUT;//SCL低，这时允许从I2C发送数据到SDA上
Delayus（10）;
SCL_INPUT;//SCL高，准备读取SDA上的数据
Delayus（10）;
dat<<=1;//读取的数据左移一位，从最高位读起
if（SDA_INDATA）
{
dat++;//如果DSA为高，则读取的数据加1
}
Delayus（10）;
}
SCL_OUTPUT;//SCL拉低，准备下一个数据变化
Delayus（10）;
if（!
ack）//
{
SDA_INPUT;//发送NACK
}
else
{
SDA_OUTPUT;//发送ACK
}
Delayus（10）;
SCL_INPUT;//SCL高
Delayus（10）;
SCL_OUTPUT;//SCL低
Delayus（10）;
return（dat）;//返回读到的数据
}
//从固定地址读一字节
unsignedcharEEPROM_ReadByte（unsignedintadd）
{
unsignedchardata;
I2C_Start（）;//发送起始信号
I2C_WriteByte（EEPROM_BUS_ADDRESS|（（add>>8）<<1））;
//写器件地址和页地址的高3位
I2C_WriteByte（add）;//写页地址的低4位和页地址内部偏移量
I2C_Start（）;//发送起始信号
I2C_WriteByte（EEPROM_BUS_ADDRESS|0x01）;//发送读命令
data=I2C_ReadByte（0）;//读一个字节
I2C_Stop（）;//发送结束信号
returndata;
}
//向固定地址写一字节
voidEEPROM_WriteByte（unsignedintadd,unsignedchardata）
{
I2C_Start（）;//发送起始信号
I2C_WriteByte（EEPROM_BUS_ADDRESS|（（add>>8）<<1））;
//写器件地址和页地址的高3位
I2C_WriteByte（add）;//写页地址的低4位和页地址内部偏移量
I2C_WriteByte（data）;//写一个字节数据
I2C_Stop（）;//发送结束信号
Delayms（10）;
}
//us级别的延时函数
voidDelayus（unsignedintlus）
{
while（lus--）
{
_delay_loop_2（3）;
//_delay_loop_2
（1）是延时4个时钟周期，参数为3则延时12
//个时钟周期，本实验用12M晶体，则12个时钟周期为12/12=1us
}
}
//ms级别的延时函数
voidDelayms（unsignedintlms）
{
while（lms--）
{
Delayus（1000）;//延时1ms
}
}
9.2基于硬件接口的AT24C02的读写实验
9.2.1、实例功能
AVR单片机提供了实现标准2先串行总线通信TWI（兼容I2C总线）硬件接口。
其主要性能和特点有：
●简单，但是强大而灵活的串行通信接口，只需要两根线；
●支持主机和从机操作；
●器件可以作为发送器，也可以作为接收器；
●7位地址空间，最大允许有128个从机；
●支持多主机模式；
●最高可达400K的数据传输率；
●全可编程的从机地址
●地址监听中断可以是A
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