I2C系列（三）：软件模拟I2C读写24C04

一.目标

        PC 端的串口调试软件通过 RS-485 与单片机通信，控制单片机利用软件模拟 I2C 总线对 EEPROM（24C04） 进行任意读写。 

二.RS-485简述

        在工业控制领域，传输距离越长，要求抗干扰能力也越强。由于 RS-232 无法消除共模干扰，且传输距离只有 15m 左右，无法满足要求。
        工业标准组织提出了 RS-485 接口标准。 RS-485 标准采用差分信号传输方式，因此具有很强的抗共模干扰能力。 RS-485 接口芯片 SP485E 的封装及引脚说明如下图 1。

        RS-485 的逻辑电平为：

①当 A 的电位比 B 高 200mV 以上时， 为逻辑 1；

②当 B 的电位比 A 电位高200mA 以上时为逻辑 0，传输距离可达 1200m。由于是差分传输，因此无需公共地，在 RS-485 总线上仅需连接两根线 A 和 B。
       单片机与 RS-485 接口芯片的电路连接图如下图 2。

三.控制命令定义

        定义如下命令：

①c——串口接收数据函数初始化
②s——单片机将接收到的数据发送到串口调试终端显示，以确认单片机是否已正确接收数据
③w——将接收缓冲区 wbuf 中的数据写入 EEPROM 中
④r——将刚才写入 EEPROM 中的数据读出到缓冲区 rbuf 中，并发送到串口调试终端显示

四.C代码

        本代码注重功能实现，以期达到理解I2C协议和24C04读写方法的目的。实际项目还须考虑代码质量，如可读性、可维护性等。

4.1 I2C基础时序模拟

4.1.1 引脚初始化

void i2cinit(void)
{sdaout;/*引脚输出模式*/sclout;sda = 1; /*释放总线*/scl = 1;
}

4.1.2 延时函数

1.SCL 时序控制延时函数

        78K0指令的最短时钟周期为2个，一条NOP指令即为2个时钟周期，若使用内部8MHz时钟，则执行一条NOP指令需0.25us。

void delay(void)
{UCHAR i;for(i = 0;i < NOP_num;i++)NOP();
}

2.长延时函数

void delay_long(UINT a)
{UINT i,j;for(i = 0;i < a;i++)for(j = 0;j < 100;j++);
}

4.1.3 起始信号模拟

        SCL 线为高电平期间， SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号。

void i2cstart(void)
{sdaout;	sclout;/*1.初始化SDA为高电平：在SCL低电平期间拉高SDA*/scl = 0;delay();sda = 1;delay();/*2.模拟一个起始信号*/scl = 1;delay();sda = 0;delay();
}

4.1.4 停止信号模拟

        SCL 线为高电平期间， SDA 线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

void i2cstop(void)
{sdaout;sclout;/*1.初始化SDA为低电平：在SCL低电平期间拉低SDA*/scl=0;delay();sda=0; delay();/*2.模拟一个停止信号*/scl=1;delay();sda=1;delay();
}

4.1.5 应答信号模拟

        每一个字节必须保证是 8 位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的
字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有 9 位）。

         在第 9 个时钟信号的高电平期间：若 SDA为 0，则为应答；若 SDA 为 1，则为非应答。

1.主机发送应答信号

void i2c_ack_write(UCHAR ack)
{sdaout;sclout;/*1.初始化SDA为应答信号/非应答电平：在SLC低电平期间改变SDA*/scl=0; /*sda 变化前，先将 scl 置 0,一个时钟周期的开始*/delay();if(ack == 1)sda = 1;/*1，不应答从机，通知从机释放 sda*/else sda = 0;/*0，应答从机*/delay();/*2.scl 置高，通知从机读取SDA*/scl= 1;delay();
}

2.读取从机的应答信号

UCHAR i2c_ack_read(void)
{UCHAR sack;sdaout;sclout;/*1.释放SDA，让从机控制：在SLC低电平期间拉高SDA*/scl=0;delay();sda=1;delay();sdain; /*sda 设置为输入模式，以检测从机的应答信号*//*2.scl 置高，读取从机的应答信号*/scl=1delay();if(sda==1)sack=1;/*从机无应答*/else sack=0;/*从机应答*/return sack; 
}

4.1.6 写一个字节数据

        只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答。

void writebyte(UCHAR dat)
{UCHAR temp=0;UCHAR i;sdaout;sclout;for(i = 0;i < 8;i++){/*1.在SCL低电平时，准备好SDA*/temp = dat&0x80;scl = 0; delay();if(temp == 0)sda = 0;else sda = 1; delay();/*2.拉高SCL，通知从机读SDA*/scl = 1;delay();dat = dat << 1;}/*3.释放SDA总线*/scl = 0;delay();sda = 1;delay();
}

4.1.7 读一个字节数据

        只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答。

UCHAR readbyte(void)
{UCHAR i;UCHAR temp = 0;sdaout;sclout;/*1.主机释放SDA，并将SDA设为输入模式*/scl = 0;delay();sda = 1;delay();sdain; for(i = 0;i < 8;i++){/*1.拉低SCL，通知从机发送数据*/scl=0;delay();/*2.拉高SCL，读取SDA*/scl=1;delay();if(sda == 1)temp = (temp << 1) | 0x01;elsetemp = (temp << 1) | 0x00;}return temp;
}

4.2 I2C读写数据

4.2.1 向任意地址写单字节数据

        包括数据传送、应答信号（从机），但不包括开始和停止信号。

UCHAR writebyte_to_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR dat)
{UCHAR sack;/*1.写器件地址*/writebyte(deviceaddr0);	sack = i2c_ack_read(); if(sack	==	1)return 1;/*2.写存储单元地址*/writebyte(addr);sack = i2c_ack_read(); if(sack == 1)return 1;/*3.发送数据*/writebyte(dat);	sack = i2c_ack_read();if(sack == 1)return 1;elsereturn 0;
}

4.2.2 从任意地址读单字节数据

        包括数据传送、应答信号，但不包括开始和停止信号。

UCHAR readbyte_from_anyaddr(UCHAR addr)
{UCHAR temp = 0;UCHAR sack = 0;/*1.写器件地址*/writebyte(deviceaddr0);sack = i2c_ack_read();if(sack == 1)return 1;/*2.写存储单元地址*/writebyte(addr);sack = i2c_ack_read();if(sack == 1)return 1;/*3.重置开始，改为读方向*/i2cstart();	writebyte(deviceaddr1);sack = i2c_ack_read();if(sack==1)return 1;/*4.读数据*/temp=readbyte();return temp; 
}

4.2.3 写n字节数据到任意地址

UCHAR writenbytes_to_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen)
{UCHAR i = 0;UCHAR sack = 0;i2cstart();writebyte_to_anyaddr(addr,buf[i]);/*向指定地址写一个数据*/for(i = 1;i < buflen;i++){if(BYTES_PER_PAGE == 8)/*页边界处理：页内字节数为 8*/{if((addr & 0x07) == 0x07)/*地址的低 3 位为“111”时，主机须送下一页的起始地址*/{i2cstop(); /*到页边界时，主机须发停止信号，通知从机结束当前页的传送*/delay_long(1);/*结束信号与开始信号之间须延时*/i2cstart();/*开始*/writebyte(deviceaddr0); /*送器件地址，写*/sack = i2c_ack_read(); /*检测从机应答*/if(sack==1)return 1;/*无应答，返回 1*/writebyte(addr + 1);/*写数据地址，地址值加 1*/sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/if(sack == 1)return 1;/*无应答，返回 1*/}}if(BYTES_PER_PAGE == 16)/*页边界处理：页内字节数为 16*/{if((addr&0x0f)==0x0f)/*地址的低 4 位为“1111”时，主机须送下一页的起始地址*/{i2cstop();delay_long(1);i2cstart();writebyte(deviceaddr0);i2c_ack_read();writebyte(addr+1);sack=i2c_ack_read();if(sack==1)return 1;}}writebyte(buf[i]); /*页内写字节，地址自动加 1*/sack=i2c_ack_read();if(sack==1)return 1;addr++;/*addr 始终等于当前写入数据的地址，以便进行页边界判断*/}return 0; /*返回 0，写成功*/
}

4.2.4 从任意地址读n字节数据

UCHAR readnbytes_from_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen)
{UCHAR i=0;UCHAR sack;i2cstart();/*开始*/writebyte(deviceaddr0);/*送器件地址，写*/sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/if(sack==1)return 1;writebyte(addr);/*送数据地址*/sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/if(sack==1)return 1;i2cstart();/*开始*/writebyte(deviceaddr1);/*送器件地址，读*/sack=i2c_ack_read();/*检测从机应答*/if(sack==1)return 1;for(i=0;i<buflen;i++){buf[i]=readbyte(); /*读一字节数据到指定的缓冲区中*/if(i==(buflen-1))i2c_ack_write(M_NACK); /*读完后，主机不应答，通知从机释放 sda*/elsei2c_ack_write(M_ACK); /*若未读完，主机应答，继续读*/}return 0;/*返回 0，读成功*/
}

4.3 串口中断服务函数

4.3.1 接收中断处理函数

__interrupt void MD_INTSR0(void)
{UCHAR err_type;UCHAR rx_data;err_type = ASIS0;rx_data = RXB0;P7=rx_data;if( err_type & 0x07 ){CALL_UART0_Error( err_type );return;}if(rx_data=='c') /*接收到 c 命令， flag 置 1*/{flag=1;return;}if(rx_data=='s') /*接收到 s 命令， flag 置 2*/{flag=2;return;}if(rx_data=='w') /*接收到 w 命令， flag 置 4*/{flag=4;return;}if(rx_data=='r')/*接收到 r 命令， flag 置 5*/{flag=5;return;}if(gUart0RxLen > gUart0RxCnt)/*正常接收数据，非命令*/{*gpUart0RxAddress = rx_data;gpUart0RxAddress++;gUart0RxCnt++;}elseflag=3;/*接收缓冲区满， flag 置 3*/
}

4.3.2 发送中断处理函数

__interrupt void MD_INTST0(void)/*发送中断处理函数*/
{if( gUart0TxCnt > 0 ){TXS0 = *gpUart0TxAddress;gpUart0TxAddress++;gUart0TxCnt--;}else /*发送完毕*/{P1.2=0;/*将 485 设置为接收模式*/SRMK0=0;/*开接收中断*/}
}

4.4 宏定义和声明

extern volatile USHORT gUart0RxCnt; /*接收数据统计*/
extern UCHAR flag;/*串口调试软件终端发送的命令标识*/#define NOP_num 60/*延时函数中 NOP()指令的执行次数*/
#define scl P6.0 /*开漏输出引脚 P6.0 作为时钟引脚*/
#define sda P6.1 /*开漏输出引脚 P6.1 作为数据引脚*/
#define sclout PM6.0=0 /*时钟引脚输出模式*/
#define sdaout PM6.1=0 /*数据引脚输出模式*/
#define sclin PM6.0=1 /*时钟引脚输入模式*/
#define sdain PM6.1=1 /*数据引脚输入模式*/
#define deviceaddr0 0xa0 /*器件地址宏定义，输出*/
#define deviceaddr1 0xa1 /*器件地址宏定义，输入*/
#define M_NACK 1 /*主机无应答常量定义*/
#define M_ACK 0 /*主机应答常量定义*/
#define BYTES_PER_PAGE 16 /*EEPROM 页内字节数宏定义*/void delay(void); /*SCL 时序控制延时函数*/
void delay_long(UINT a);/*长延时函数*/void i2cinit(void);/*IIC 引脚初始化函数*/void i2cstart(void);/*启动函数*/
void i2cstop(void);/*停止函数*/
void i2c_ack_write(UCHAR);/*主机应答处理函数*/
UCHAR i2c_ack_read(void);/*从机应答处理函数*/void writebyte(UCHAR dat);/*写一个字节函数，只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答*/
UCHAR readbyte(void);/*读一个字节函数，只是数据段传送的操作，即开始与应答之间的操作，但不包括开始和应答*/UCHAR writebyte_to_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR dat);/*向任意地址写一个数，包括开始信号、数据传送、应答信号（从机），但不包括停止信号*/
UCHAR readbyte_from_anyaddr(UCHAR addr);/*从任意地址中读一个数，包括开始信号和数据传送，但不包括应答信号（主机）和停止信号*/UCHAR writenbytes_to_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen);/*向任一地址开始的连续多个储存单元写一串数据*/
UCHAR readnbytes_from_anyaddr(UCHAR addr,UCHAR* buf,UCHAR buflen);/*从任一地址开始的连续多个储存单元读出一串数据*/

4.5 主处理函数main

void main( void )
{UCHAR wbuf[256]={0};/*待写到 EEPROM 中的数据缓冲区*/UCHAR rbuf[256]={0};/*从 EEPROM 中读出的数据缓冲区*/UCHAR wend[10]={'w','r','i','t','e',' ','e','n','d','!'};/*写完成提示*/UCHAR temp=0;UCHAR i;UCHAR wnum=0;i2cinit();/*IIC 引脚初始化*/UART0_ReceiveData( wbuf,256);/*串口接收数据函数初始化*/P1.2=0;/*RS-485 使能引脚，设置为数据接收模式*/UART0_Start(); /*启动串口*/P7.0=0; /*程序运行 LED 指示*/while (1){if(flag == 1)/*c 命令，串口接收数据函数初始化*/{UART0_ReceiveData( wbuf,256);flag=0;}if(flag == 2)/*s 命令,单片机将接收到的数据发送到串口调试终端显示*/{SRMK0=1;/*屏蔽接收中断*/P1.2=1; /*单片机设置为数据发送模式*/delay_long(1);flag=0;temp=(UCHAR)gUart0RxCnt;/*强制类型转换*/UART0_SendData(wbuf,temp);/*将接收的数据发送到串口调试终端*/}if(flag==3)/*接收缓冲区满，初始化串口接收函数，覆盖原来的数据*/{flag=0;UART0_ReceiveData( wbuf,256);}if(flag==4)/*w 命令，将 wbuf 中的数据写入 EEPROM 中*/{flag=0;DI();/*写过程，禁止中断*/temp=(UCHAR)gUart0RxCnt;writenbytes_to_anyaddr(0,wbuf,temp);i2cstop();delay_long(2);i2cstart();writebyte_to_anyaddr(250, temp);i2cstop();EI();/*开中断*/SRMK0=1;/*屏蔽接收中断*/P1.2=1; /*设置为发送模式*/UART0_SendData( wend,10);/*发送写结束字符串到串口调试终端显示*/}if(flag==5)/*r 命令，将刚才写入到 EEPROM 中的数据读出到 rbuf 中，并发送到串口调试终端显示*/{flag=0;DI();/*读过程中，禁止中断*/i2cstart();wnum=readbyte_from_anyaddr(250);i2cstop();delay_long(1);readnbytes_from_anyaddr(0,rbuf,wnum); /*读数据*/i2cstop();EI();/*开中断*/SRMK0=1;P1.2=1;delay_long(1);UART0_SendData(rbuf,wnum);}}
}

五.测试结果

        发送 “1,2,3....18” 共 18 个数给单片机，让单片机以页写的方式写入 24C04 中。

        结果如下：
1） 若不进行页边界处理，则 17 和 18 两个数覆盖 01 和 02，即为页上卷，且说明页内字节数为
16字节。（如下图 ）

2）进行页边界处理后，结果如下图 ：
 

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