本帖最后由 RISCVLAR 于 2020-12-30 19:06 编辑
CH32V103应用教程——I2C-软件模拟I2C读写EEPROM
前面章节第14章已经进行过硬件IIC读写EEPROM的实验，本章教程将使用软件模拟IIC读写EEPROM，并通过串口调试助手将读写结果打印显示。
1、I2C简介及相关函数介绍 内部集成电路总线（I2C）是一种两线式串行总线，可用于微控制器及其外围设备之间的通信。I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成，可进行数据发送和接收，其通过上拉电阻接电源，当I2C总线空闲时，会输出高组态，此时数据线SDA和时钟线SCL均处于高电平。
I2C总线在使用过程中具有以下状态和信号： - 空闲状态：数据线SDA和时钟线SCL均处于高电平；
- 起始信号：时钟线SCL为高电平，数据线SDA由高电平向低电平跳变；
- 停止信号：时钟线SCL为高电平，数据线SDA由低电平向高电平跳变；
- 应答信号：应答信号分为ACK信号和NACK信号两种。主机在数据传输时会产生时钟，在产生第九个时钟时（即主机每发送完8位数据或地址），数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，此时若SDA为高电平，则表示NACK应答信号，若SCL为低电平，则表示ACK应答信号。当为ACK信号时，发送方会继续发送下一个数据；为NACK信号时，则发送方会产生一个停止信号，结束数据传输。
关于硬件I2C和软件模拟I2C的区别，第14章已经进行过介绍，在此不再赘述。
关于I2C具体信息，可参考CH32V103应用手册。I2C标准库函数在第十四章节已介绍，在此不再赘述。
2、硬件设计 本章教程使用软件模拟I2C读写24C02，程序中配置PA1作为SDA线，PA2作为SCL线，连接方式如下： - PA1连接J5的SCL引脚
- PA2连接J5的SDA引脚
3、软件设计 软件模拟I2C读写24C02相较于硬件I2C读写24C02在程序代码量上多了很多，具体程序如下： iic.h文件 - #ifndef __IIC_H
- #define __IIC_H
- #include "ch32v10x_conf.h"
- #define IIC_SDA_H GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1) //配置SDA接口高电平
- #define IIC_SDA_L GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1) //配置SDA接口低电平
- #define IIC_SCL_H GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2) //配置SCL接口高电平
- #define IIC_SCL_L GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2) //配置SCL接口低电平
- #define I2C_SDA_READ() GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) //读SDA口线状态
- void IIC_Init(void); //IIC初始化函数
- void IIC_Idle_State(void); //IIC空闲状态
- void IIC_Start(void); //IIC开始信号函数
- void IIC_Stop(void); //IIC停止信号函数
- void IIC_SendByte(u8 data); //IIC发送一个字节
- u8 IIC_ReadByte(void); //IIC读取一个字节
- u8 IIC_WaitAck(void); //等待响应信号（ACK或者NACK）
- void IIC_ACK(void); //IIC发出ACK信号
- void IIC_NACK(void); //IIC发出NACK信号
- #endif
iic.h文件主要进行相关宏定义和函数声明； iic.c文件 iic.c文件主要进行模拟I2C对应GPIO引脚初始化以及I2C在数据读写传输过程中各状态和信号的表示函数，具体如下：
1、因为采用模拟I2C，且设置PA1对应SDA线，PA2对应SCL线，因此需要对PA1和PA2进行GPIO初始化设置，具体如下： - //初始化IIC
- void IIC_Init(void)
- {
- GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
- RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
- GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2;//使用PA1和PA2作为模拟IIC引脚，PA1对应SDA，PA2对应SCL
- GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD ; //开漏输出模式
- GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
- GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
- IIC_Idle_State();
- }
此处注意设置PA1和PA2的GPIO模式为开漏输出模式，因为I2C总线一般可以连接多个器件，如果选用推挽输出模式，可能会产生很大的电流从而导致器件毁坏，而开漏输出在不接上拉电阻情况下无法输出高电平，加上拉电阻时电流由上拉电阻决定，因此使用开漏输出模式。还有一个原因就是开漏输出可以匹配电平，满足电流型的驱动。
2、I2C空闲状态函数，当IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为IIC总线的空闲状态，函数具体如下： - //IIC空闲状态
- //当IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为IIC总线的空闲状态
- void IIC_Idle_State()
- {
- IIC_SDA_H;
- IIC_SCL_H;
- Delay_Us(4);
- }
3、I2C开始信号函数，当IIC SCL线处于高电平时，SDA线由高电平向低电平跳变，为IIC开始信号，配置开始信号前必须保证IIC总线处于空闲状态，函数具体如下： - //IIC开始信号
- //当IIC SCL线处于高电平时，SDA线由高电平向低电平跳变，为IIC开始信号，配置开始信号前必须保证IIC总线处于空闲状态
- void IIC_Start()
- {
- IIC_SDA_H;
- IIC_SCL_H;
- Delay_Us(4);
- IIC_SDA_L;
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_L;
- Delay_Us(4);
- }
4、I2C停止信号函数，当IIC SCL线处于高电平时，SDA线由低电平向高电平跳变，为IIC停止信号，函数具体如下： - //IIC停止信号
- //当IIC SCL线处于高电平时，SDA线由低电平向高电平跳变，为IIC停止信号
- void IIC_Stop()
- {
- IIC_SDA_L;
- IIC_SCL_H;
- Delay_Us(4);
- IIC_SDA_H;
- }
5、I2C发送一个字节数据，一个字节数据即8位，对每一位值进行判断其为0还是1（从最高位起），并根据判断值控制SDA线高低电平变化，每判断完成一位，则左移一位。在此期间，要控制SCL线高低电平变化，具有通讯时钟的效果。同时利用延时函数在SCL线为高电平期间读取SDA线值大小。待8位数据传输完成之后，释放总线，等待接收方应答信号。具体函数如下： - //IIC发送一个字节数据（即8bit）
- void IIC_SendByte(u8 data)
- {
- u8 i;
- //先发送字节的高位bit7
- for (i = 0; i < 8; i++)
- {
- if (data & 0x80) //判断8位数据每一位的值（0或1）
- {
- IIC_SDA_H;
- }
- else
- {
- IIC_SDA_L;
- }
- Delay_Us(4); //控制SCL线产生高低电平跳变，产生通讯时钟，同时利用延时函数在SCL为高电平期间读取SDA线电平逻辑
- IIC_SCL_H;
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_L;
- if (i == 7)
- {
- IIC_SDA_H; //控制SDA线输出高电平，释放总线，等待接收方应答信号
- }
- data <<= 1; //左移一个bit
- Delay_Us(4);
- }
- }
6、I2C读取一个字节数据，一个字节数据即8位，利用for循环在SCL为高电平期间对SDA数据线进行读取，依次判断每一位值为0还是1（共八位），最后将读取结果返回。具体函数如下： - //IIC读取一个字节
- u8 IIC_ReadByte(void)
- {
- u8 i;
- u8 value;
- //读到第1个bit为数据的bit7
- value = 0;
- for(i = 0; i < 8; i++)
- {
- value <<= 1;
- IIC_SCL_H;
- Delay_Us(4);
- if (I2C_SDA_READ()) //利用延时函数在SCL为高电平期间读取SDA线电平逻辑
- {
- value++;
- }
- IIC_SCL_L;
- Delay_Us(4);
- }
- return value;
- }
7、I2C等待应答信号函数，当发送端发送完一个字节数据后，会释放对SDA线的控制权，及SDA线拉高，为1，此时由接收方控制SDA线，并控制其产生高低电平。在SCL线为高电平期间，发送端读取SDA线高低电平信号，若为低电平，表示ACK信号，若为高电平，表示NACK信号。具体函数如下： - //IIC等待应答信号
- u8 IIC_WaitAck(void)
- {
- uint8_t rvalue;
- IIC_SDA_H; //发送端释放SDA总线，由接收端控制SDA线
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_H; //在SCL为高电平期间等待响应，若SDA线为高电平，表示NACK信号，反之则为ACK信号
- Delay_Us(4);
- if(I2C_SDA_READ()) //读取SDA线状态判断响应类型，高电平，返回去，为NACK信号，反之则为ACK信号
- {
- rvalue = 1;
- }
- else
- {
- rvalue = 0;
- }
- IIC_SCL_L;
- Delay_Us(4);
- return rvalue;
- }
8、I2C应答信号函数和非应答信号函数。I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种 信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后， 若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下 一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接 收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。在SCL线为高电平期间读取SDA线为低电平，则为ACK响应；在SCL线为高电平期间读取SDA线为高电平，则为NACK响应。关于应答信号和非应答信号函数具体如下： - //产生应答信号ACK
- void IIC_ACK(void)
- {
- IIC_SDA_L;
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_H; //在SCL线为高电平期间读取SDA线为低电平，则为ACK响应
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_L;
- Delay_Us(4);
- IIC_SDA_H;
- }
- //产生非应答信号NACK
- void IIC_NACK(void)
- {
- IIC_SDA_H;
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_H; //在SCL线为高电平期间读取SDA线为高电平，则为NACK响应
- Delay_Us(4);
- IIC_SCL_L;
- Delay_Us(4);
- }
以上就是iic.c文件的各个函数，其表示I2C协议的各个环节。 eeprom.h文件 - #ifndef __EEPROM_H
- #define __EEPROM_H
- #include "ch32v10x_conf.h"
- #define AT24C01 127
- #define AT24C02 255
- #define AT24C04 511
- #define AT24C08 1023
- #define AT24C16 2047
- #define AT24C32 4095
- #define AT24C64 8191
- #define AT24C128 16383
- #define AT24C256 32767
- //CH32V103开发板使用的是24C02，所以定义TYPE为AT24C02
- #define TYPE AT24C02
- #define SIZE 256
- u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 raddr);
- void AT24CXX_WriteOneByte(u16 waddr,u8 data);
- void AT24CXX_WriteLenByte(u16 waddr,u32 data,u8 len);
- u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 raddr,u8 len);
- u8 AT24CXX_Check(void);
- void AT24CXX_Read(u16 raddr,u8 *pBuffer,u16 num);
- void AT24CXX_Write(u16 waddr,u8 *pBuffer,u16 num);
- u8 AT24CXX_Test(void);
- #endif
eeprom.h文件包含各种宏定义和函数声明； eeprom.c文件 - #include "eeprom.h"
- #include "iic.h"
- //在AT24CXX指定地址读出一个数据
- //raddr :开始读数的地址
- //返回值 :读到的数据
- u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 raddr)
- {
- u8 temp=0;
- IIC_Start();
- if(TYPE>AT24C16) //对芯片容量进行判断，芯片容量决定了设备地址和数据地址的分配方法
- {
- //当芯片容量大于16Kbit，设备地址则只起到一个标志读写操作的作用，由两位数据地址表示读写字节的地址
- //因此此处首先发送0XA0，然后发送要写入地址的高八位，此处是将16位地址数据右移8位实现此操作
- IIC_SendByte(0XA0); //发送写命令
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(raddr>>8);//发送高地址
- IIC_WaitAck();
- }
- else
- {
- //当芯片容量小于16K时，设备地址中可能用于页寻址的位
- IIC_SendByte(0XA0+((raddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
- }
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(raddr%256); //发送低地址
- IIC_WaitAck();
- IIC_Start();
- IIC_SendByte(0XA1); //进入接收模式
- IIC_WaitAck();
- temp=IIC_ReadByte();
- IIC_Stop(); //产生一个停止信号
- return temp;
- }
- //在AT24CXX指定地址写入一个数据
- //waddr :写入数据的目的地址
- //data :要写入的数据
- void AT24CXX_WriteOneByte(u16 waddr,u8 data)
- {
- IIC_Start();
- if(TYPE>AT24C16)
- {
- IIC_SendByte(0XA0); //发送写命令
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(waddr>>8);//发送高地址
- }else
- {
- IIC_SendByte(0XA0+((waddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
- }
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(waddr%256); //发送低地址
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(data); //发送字节
- IIC_WaitAck();
- IIC_Stop(); //产生一个停止信号
- Delay_Ms(10);
- }
- //在AT24CXX里面的指定地址开始读出长度为Len的数据，该函数用于读出16bit或者32bit的数据.
- //raddr :开始读出的地址
- //len :要读出数据的长度2,4
- //返回值 :数据
- u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 raddr,u8 len)
- {
- u8 t;
- u32 temp=0;
- for(t=0;t<len;t++)
- {
- temp<<=8;
- temp+=AT24CXX_ReadOneByte(raddr+len-t-1);
- }
- return temp;
- }
- //在AT24CXX里面的指定地址开始写入长度为len的数据，该函数用于写入16bit或者32bit的数据.
- //waddr :开始写入的地址
- //data :数据数组首地址
- //len :要写入数据的长度2,4
- void AT24CXX_WriteLenByte(u16 waddr,u32 data,u8 len)
- {
- u8 t;
- for(t=0;t<len;t++)
- {
- AT24CXX_WriteOneByte(waddr+t,(data>>(8*t))&0xff);
- }
- }
- //检查AT24CXX是否正常，这里用了24XX的最后一个地址(255)来存储标志字.如果用其他24C系列,这个地址要修改
- //返回1:检测失败
- //返回0:检测成功
- u8 AT24CXX_Check(void)
- {
- u8 temp;
- temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX
- if(temp==0X55)return 0;
- else //排除第一次初始化的情况
- {
- AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
- temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
- if(temp==0X55)return 0;
- }
- return 1;
- }
- //在AT24CXX里面的指定地址开始读出指定个数的数据
- //raddr :开始读出的地址 对24c02为0~255
- //pBuffer :数据数组首地址
- //num :要读出数据的个数
- void AT24CXX_Read(u16 raddr,u8 *pBuffer,u16 num)
- {
- while(num)
- {
- *pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(raddr++);
- num--;
- }
- }
- //在AT24CXX里面的指定地址开始写入指定个数的数据
- //waddr :开始写入的地址 对24c02为0~255
- //pBuffer :数据数组首地址
- //num :要写入数据的个数
- void AT24CXX_Write(u16 waddr,u8 *pBuffer,u16 num)
- {
- while(num--)
- {
- AT24CXX_WriteOneByte(waddr,*pBuffer);
- waddr++;
- pBuffer++;
- }
- }
- //AT24C02 读写测试
- //正常返回1，异常返回0
- u8 AT24CXX_Test(void)
- {
- u16 i;
- u8 readbuf[SIZE];
- u8 writebuf[SIZE];
- /* 填充测试缓冲区 */
- for (i = 0; i < SIZE; i++)
- {
- writebuf[i] = i;
- }
- AT24CXX_Write(0,(u8*)writebuf,SIZE);
- AT24CXX_Read(0,(u8*)readbuf,SIZE);
- for (i = 0; i < SIZE; i++)
- {
- if(readbuf[i] != writebuf[i])
- {
- printf("0x%4d ", readbuf[i]);
- printf("错误:AT24C02读出与写入的数据不一致");
- }
- printf("%4d", readbuf[i]);
- if ((i&15) == 15)
- {
- printf("\r\n");
- }
- }
- printf("AT24C02读写测试成功\r\n");
- return 1;
- }
eeprom.c主要包含从EEPROM读取数据函数、向EEPROM写入数据函数以及EEPROM检测和测试函数，具体介绍如下： CH32V103开发板所用EEPROM芯片型号为AT24C02，其设备地址一共有7位，如下图，其中高4位固定为：1010b，低3位则由A0/A1/A2信号线的电平决定。根据CH32V103开发板原理图连接方式，A0、A1、A2均接GND，为0，所以设备地址为：1010000b。但由于I2C通讯通常将地址跟读写方向连在一起构成一个8位数，且当R/W位为0 时，表示写方向，加上7位地址，其值为“0xA0”，常称该值为I2C设备的“写地址”；当 R/W 位为 1 时，表示读方向，加上7位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。
1、关于根据AT24C02指定地址读取一个数据流程，首先对芯片容量进行判断，芯片容量决定了设备地址和数据地址的分配方法。当芯片容量大于16Kbit，设备地址则只起到一个标志读写操作的作用，由两位数据地址表示读写字节的地址，因此此处首先发送0XA0，然后发送要写入地址的高八位，此处是将16位地址数据右移8位实现此操作；当芯片的容量小于16k的时候，设备地址中可能用于页寻址的位：当芯片型号为AT24C02，则设备地址中无页寻址的位，则raddr的高八位均为0，则((raddr/256)<<1)也为0，因此最后就是发送0XA0。
当芯片型号为AT24C04，则设备地址中有一位页寻址的位，假如是1，则(raddr/256)为0X01，再左移一位为0x02，则最终发送的位0XA2。正好对应P0位为1,下面型号以此类推。关于从AT24Cxx中读取数据，却最先发送0XA0（写地址），解释如下：随机读需要设定需要读的地址,然后有一次伪写入过程,这个伪写入是为了修改存储器内部的工作指针。具体程序如下：
- //在AT24CXX指定地址读出一个数据
- //raddr :开始读数的地址
- //返回值 :读到的数据
- u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 raddr)
- {
- u8 temp=0;
- IIC_Start();
- if(TYPE>AT24C16) //对芯片容量进行判断，芯片容量决定了设备地址和数据地址的分配方法
- {
- //当芯片容量大于16Kbit，设备地址则只起到一个标志读写操作的作用，由两位数据地址表示读写字节的地址
- //因此此处首先发送0XA0，然后发送要写入地址的高八位，此处是将16位地址数据右移8位实现此操作
- IIC_SendByte(0XA0); //发送写命令
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(raddr>>8);//发送高地址
- IIC_WaitAck();
- }
- else
- {
- //当芯片容量小于16K时，设备地址中可能用于页寻址的位
- IIC_SendByte(0XA0+((raddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
- }
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(raddr%256); //发送低地址
- IIC_WaitAck();
- IIC_Start();
- IIC_SendByte(0XA1); //进入接收模式
- IIC_WaitAck();
- temp=IIC_ReadByte();
- IIC_Stop(); //产生一个停止信号
- return temp;
- }
2、关于根据AT24C02指定地址写入一个数据流程，与读取流程类似，在此不再介绍，具体程序如下： - //在AT24CXX指定地址写入一个数据
- //waddr :写入数据的目的地址
- //data :要写入的数据
- void AT24CXX_WriteOneByte(u16 waddr,u8 data)
- {
- IIC_Start();
- if(TYPE>AT24C16)
- {
- IIC_SendByte(0XA0); //发送写命令
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(waddr>>8);//发送高地址
- }else
- {
- IIC_SendByte(0XA0+((waddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
- }
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(waddr%256); //发送低地址
- IIC_WaitAck();
- IIC_SendByte(data); //发送字节
- IIC_WaitAck();
- IIC_Stop(); //产生一个停止信号
- Delay_Ms(10);
- }
其他函数大都在这两个函数基础上进行，在此不再介绍。 main.c文件 - int main(void)
- {
- u8 datatemp[size];
- NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
- Delay_Init();
- USART_Printf_Init(115200);
- IIC_Init();
- printf("SystemClk:%d\r\n",SystemCoreClock);
- if(AT24CXX_Check()==1)
- {
- /* 没有检测到EEPROM */
- printf("24C02 Check Failed，Please Check!\n");
- }
- else
- {
- /* 没有检测到EEPROM */
- printf("24C02 Check Succeed，Please Continue!\n");
- }
- if(AT24CXX_Test() == 0)
- {
- printf("24C02 Test Failed，Please Check!\n");
- }
- else
- {
- printf("24C02 Test Succeed，Please Check!\n");
- }
- AT24CXX_Write(0,(u8*)TEXT_Buffer,size);
- AT24CXX_Read(0,datatemp,size);
- printf("The Data Readed Is:%s\n",datatemp);
- while(1)
- {
- }
- }
main.c文件主要进行函数初始化以及AT24C02检测和读写测试。
4、下载验证 将编译好的程序下载到开发板并复位，同时将PA1连接J5的SCL引脚，PA2连接J5的SDA引脚，串口打印情况具体如下：
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