GPIO模拟时序控制外设3——AT24C02

前言

前面已经介绍了使用GPIO模拟时序驱动WS2812B和DHT11的模块，这些模块都是单线传输的方式，本文我们继续使用模拟的方式来实现一下常用的IIC驱动时序的模拟，具体使用到的器件是AT24C02。

AT24C02简介

AT24C02是一种串行EEPROM ，它具有2K bit的存储容量,可以存储256个byte的数据。AT24C02采用12C总线协议进行通信， 具有低功耗、高可靠性和易于使用的特点。它广泛应用于各种电子设备中，如智能卡、存储器扩展模块、工 业控制系统。
AT24CXX是一个系列，xx的不同，代表了芯片的存储容量不同，根据下方的介绍，可以知道，使用的这款AT24C02具有页写的功能，每页可以写入8个字节，一共是256/8=32页。
另外，手册还介绍了AT24C02的三种封装，分别是8脚的直插封装、8脚的贴片封装、以及5脚的贴片封装。这个板子上选择是SOP-8的贴片型。

引脚介绍

既然提到了封装，那么就接着介绍一下这个8脚封装各个引脚的作用吧，如下图所示：

其中位于芯片左侧的A0-A2是三个器件地址的输入引脚，AT24C02使用的是I2C的通信方式，因此会有通信地址，I2C的通信地址一般都是由多个位拼接组成的八位数据，具体组成放到后面的器件寻址来介绍。
然后是SDA、SCL想必大家对于这俩引脚都很熟悉了，SDA，I2C通信的数据脚，SCL，I2C的时钟脚，用于MCU给AT24C02提供同步通信得时钟基准。
然后是WP，写保护，这个引脚的作用是用于实际产品，写入数据后开启，避免被其他人给修改了。这里没有开启，因为在编程过程中需要用到和修改，所以就接地允许正常写入操作。
最后是VCC、GND,为了保证通信得速率，这里最好还是选用5V的供电，这样能保证AT24C02能接收的时钟频率尽可能高，但笔者这里使用的是3.3V的供电，也够用了。

器件寻址

寻址流程

I2C是一种通信总线，同一组I2C的数据线可以挂接多个从器件，如上图的Slave1,和Slave2，MCU通过不同的器件地址进行选择具体的通信对象；当MCU需要在地址位89的从机种读取数据时，就会线发送一个89+R，然后总线上的设备识别是否是自己的地址，不是就不管，是就会给主机一个应答，进而进行后续的数据交换。

器件地址的组成

前面提到了这里发送的器件地址是有多个位拼接而成的。为了方便理解，先看一个逻辑分析仪抓取的I2C写数据的时序图。
其中第一个八位数据就是通信地址。

为了方便理解，放大一点来看，如下图所示，这个八位数据的地址一共分为了三个部分，
1、前四位为一个部分（玫红色的区域），这四位是由厂商固定的，例如这里的AT24C02对应的就是“1010”，这部分需要根据不同厂商的芯片手册去查看；
2、紧接着的三位分别是A2、A1、A0，有没有很眼熟，在上面的引脚介绍中就提到了，这三位是由用户的电路设计决定的，目的就是留给用户来设计，实现一个总线挂接多个从机的功能，由于这个板子只是用到了一个AT24C02所以此处在硬件上直接给了“000”，当然也可以是000—111中间的任意一个，根据对应的电平拉高拉低对应的引脚即可；
3、最后一位是读写位，当最后一位是0时，表示是写入数据，最后一位是1时，表示是读取数据。

写数据时的地址

读数据时的地址

厂家设计的地址。

其他I2C器件的地址组成

当然，不同的IIC设备的地址构成会有一些细小的差异，但是总体上是一致的，最后一位控制读写，前面7位是实际的地址。
这里在举一个常见的例子。下图所示是SHT20温湿度传感器的引脚介绍，可以发现，虽然他也是使用I2C通信，但是它并没有预留上面AT24C02的物理地址设置位，也就是说，它不能通过IO口来设置通信地址。

那么其通信地址是怎么组成的呢，在芯片手册中提到了，它的七位地址是“1000 000”，后面再接一位读写位就组成了SHT20的读写地址。

好了，搞定了这些东西后，就该来模拟时序对芯片进行操作了。

通信流程

1.完整的传输过程

对于这类使用标准协议驱动的外设，其控制时序都是遵循对应的协议时序，这里再简单回顾一下I2C通信得完整数据传输过程。
如下图所示：
整个通信过程包括了开始信号、器件地址、读写位、应答位、数据位、以及停止信号。需要注意这里的应答位，当MCU发送数据时，应答位有AT24C02产生，MCU需要检测应答位，而当AT24C02上传数据到MCU时，MCU每次接收完数据要输出一个ACK或者非ACK给AT24C02，以便AT24C02用来判断是否继续发送数据。

还是用真实波形来看吧。
下图是实际使用MCU读取AT24C02第10个字节的数据的通信过程，使用的是数据手册中的随机读时序图。

1、首先MCU控制产生一个起始信号；
2、紧接着发送八位数据的地址信息（写地址）；
3、地址匹配的AT24C02发送一个应答位；
4、MCU写入需要读取的字节所在的字地址（10号地址（0x0a））;
5、AT24C02接收到字地址后返回一个应答信号；
6、MCU在此发送起始信号；
7、MCU发送读数据8位地址；
9、地址匹配的AT24C02发送一个应答位；
10、AT24C02开始发送10号字地址的数据（0x41）;
11、MCU发送一个NACK，告诉从机不用继续发送了；
12、MCU发送停止信号，结束本次通信。

根据上面的通信流程，可以将整个通信流程分为多个部分来分别实现，接下来就结合代码来进行拼凑。

2.初始化管脚

可以发现，I2C作为一个半双工通信，与前面的1-Wire有着一些类似，而且I2C的SCL与SDA也都有上拉电阻，MCU连接SDA的引脚也是既要做输入，又要做输出，为了避免来回切换模式，当然最好初始化为开漏模式。
而MCU与SCL相连接的引脚，它起到的作用是提供时序边沿，让主从机有一个同步时序。时钟信号可以看做是一个一个高低脉冲产生的，因此与SCL相连的管脚只需要初始化为推挽输出模式即可。
查询原理图可以知道，使用的引脚是：
SCK:PB8 ----- 通用推挽输出
SDA:PB9 ----- 通用开漏输出
于是初始化GPIO的代码如下：

/*********************************
函数名：Iic_Pin_Init
函数功能：IIC引脚初始化
形参：void
返回值：void
备注：
SCK:PB8   -----    通用推挽输出     
SDA:PB9   -----    通用开漏输出   既要输出也要输入
**********************************/
void Iic_Pin_Init(void) 
{
    
    
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//初始化GPIOB端口的时钟
	
	//gpio配置
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义了一个结构体变量
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =  GPIO_Mode_Out_PP;//通用推挽输出
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure );
	
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =  GPIO_Mode_Out_OD;//开漏输出
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure );

  //空闲状态
	IIC_SDA_H;	
	IIC_SCL_H;
}

3.起始信号

接下来就是控制两个IO实现各个部分的时序模拟了。首先是起始信号，先看手册中的描述：
起始信号由MCU产生，信号条件是：
在 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，表示起始信号；

但是上面的图中没有提到具体的时间要求，是没有要求吗，还是说随便设置，答案是否定的。对于这种标准的通信协议是由严格的时序要求的，尤其是I2C，不能随便给值。在芯片手册种有如下要求：

为了保险，选择5us代码如下：

/*********************************
函数名：Iic_Start
函数功能：IIC的起始条件
形参：void
返回值：void
备注：
**********************************/
void Iic_Start(void)
{
    
    
	//准备条件
	IIC_SCL_L;   //为了让数据线高电平
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SDA_H;
	//起始条件
	IIC_SCL_H;
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SDA_L;   //输出低电平
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SCL_L;   //安全模式
}

4.停止信号

SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件；与起始信号一样，停止信号一般也是由MCU产生的。同样具体的时间在数据手册种会给出，（不同厂家的数据手册这里的时间可能不太一样，根据自己芯片的手册微调即可，大于最小时间就可以了）。
这里是4us,我们再留点余量，选个5us。

/*********************************
函数名：Iic_Stop
函数功能：IIC的停止条件
形参：void
返回值：void
备注：
**********************************/
void Iic_Stop(void)
{
    
    
	//准备条件
	IIC_SCL_L;   //为了让数据线高电平
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SDA_L;
	
	//停止条件
	IIC_SCL_H;
  Systick_Delay_us(5);
  IIC_SDA_H; 
	Systick_Delay_us(5);
}

5.MCU发送8位数据

起始信号后面紧接着的就是8位数据，这里数据逻辑0和逻辑1就是高低电平，不再是前面WS2812B与DHT11的那种特殊格式了。
那么怎样发送数据位呢，来看手册中的解释，简单来说就是SCL高电平读取数据，SCL低电平写入数据。

同样的，高低点的持续时间也是有要求的。

知道了一个位的写入方式，8位数据的发送直接上一个循环就可以了。

/*********************************
函数名：Iic_Send_Data
函数功能：IIC发送数据
形参：u8 data 待发送的数据
返回值：void
备注：
**********************************/
void Iic_Send_Data(u8 data)
{
    
    
	u8 i;
	
	for(i=0;i<8;i++)
	{
    
    
		IIC_SCL_L;       //拉低时钟线发送数据
		Systick_Delay_us(5);
		if(data & (0x80>>i))
		{
    
    
			IIC_SDA_H; 
		}
		else
		{
    
    
			IIC_SDA_L; 
		}
		IIC_SCL_H;      //主机帮从机拉高时钟线 
		Systick_Delay_us(5);
	}
	IIC_SCL_L;  //安全模式
}

5.MCU接收应答位

MCU发送数据后，AT24C02，每次接收到8位数据就会产生一个应答信号，MCU需要检测AT24C02有没有产生应答；前面一直是MCU发送数据占用数据线，此时，需要交给AT24C02来控制SDA线产生应答信号，但是AT24C02本身无法控制时钟线，而SDA的数据改变又必须在SCL处于电平时才能改变，因此需要MCU再产生一个时钟脉冲，给AT24C02提供产生应答信号的脉冲。

那么代码如下：

/*********************************
函数名：Iic_Rcv_Ack
函数功能：IIC接收应答函数
形参：void
返回值：u8
备注：0：ACK
1：NACK
**********************************/
u8 Iic_Rcv_Ack(void)
{
    
    
	IIC_SCL_L;
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SDA_H;        //进入空闲（此时NOMS被屏蔽，拉高并不输出）  可以接收数据
	
	//开始接收
	IIC_SCL_L;        //主机帮从机拉低时钟线 从机此时可以控制SDA线
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SCL_H;        //拉高时钟线接收数据
	Systick_Delay_us(5);
	if(IIC_SDA_IN)//判断SDA的电平，为高应答失败
	{
    
    
		IIC_SCL_L;  //安全模式
		return 1;
	}
	else
	{
    
    
		IIC_SCL_L;  //安全模式，为低应答成功
		return 0;
	}
}

6.MCU接收八位数据

前面搞定了发送过程的各个部分，除了MCU发送数据，还需要从AT24C02 种读取数据，同样的，AT24C02是不能自己控制SCL线的，需要有MCU提供时钟，而SDA此时就交给AT24C02操作了，MCU只需要在SCL高电平时去读取SDA线的高低电平即可获取到数据。也是循环读取8次即可，高位在前。

/*********************************
函数名：Iic_Rcv_Data
函数功能：IIC接收数据
形参：void
返回值：u8 data 接收到的8位数据
备注：
**********************************/
u8 Iic_Rcv_Data(void)
{
    
    
	u8 data=0,i;
	IIC_SCL_L;
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SDA_H;        //进入空闲  才可以接收数据
	for(i=0;i<8;i++)
	{
    
    
		IIC_SCL_L;        //主机帮从机拉低时钟线 从机可以发送数据
		Systick_Delay_us(5);
		IIC_SCL_H;        //拉高时钟线接收数据
		Systick_Delay_us(5);
		data = data << 1;
		if(IIC_SDA_IN)
		{
    
    
			data |=0x01;
		}
	}
	IIC_SCL_L;  //安全模式
	return data;
}

7.MCU发送应答位

同样的，AT24C02再发送了8位数据后，MCU也需要给AT24C02一个ACK来告诉AT24C02继续发送或者给一个NACK来告诉AT24C02停止发送。

/*********************************
函数名：Iic_Send_Ack
函数功能：IIC发送应答函数
形参：u8 ack   0：正常应答  1：非正常应答
返回值：void
备注：
**********************************/
void Iic_Send_Ack(u8 ack)
{
    
    
	IIC_SCL_L;       //拉低时钟线发送数据
	Systick_Delay_us(5);
	if(ack)//非正常应答
	{
    
    
    IIC_SDA_H; 
	}
	else//正常应答
	{
    
    
		IIC_SDA_L; 
	}
	IIC_SCL_H;      //主机帮从机拉高时钟线 
	Systick_Delay_us(5);
	IIC_SCL_L;   //安全模式
}

AT24C02写一个字节

上面已经将整个通信流程的各个部分搞定了，接下来就是根据芯片手册时序图去组合就可以了，首先是对指定字地址写入一个八位数据，时序图如下图所示：

来看下逻辑分析仪抓取的实际波形：
为了方便大家查看，这里就不框出来做批注了，对照着应该可以看明白。这个图与上一个图是一一对应的关系。
此时序图是向器件地址为50的从机的10号字地址写入了一个0x41（‘A’）；

代码如下：

/*********************************
函数名：At24c02_Write_Byte
函数功能：AT24C02写一个字节
形参：u32 innr_addr , u8 data
返回值：u8
备注：
**********************************/
u8 At24c02_Write_Byte(u32 innr_addr,u8 data)
{
    
    
	Iic_Start();  //起始信号
	
	Iic_Send_Data(AT24C02_ADDR_W); //发送写器件地址
	if(Iic_Rcv_Ack())              //判断是否正常响应
	{
    
    
		Iic_Stop();
		return 1;
	}
	
	Iic_Send_Data(innr_addr);     //发送要写入数据的地址
	if(Iic_Rcv_Ack())              //判断是否正常响应
	{
    
    
		Iic_Stop();
		return 2;
	}
	
	Iic_Send_Data(data);     //发送要写入数据的地址
	if(Iic_Rcv_Ack())              //判断是否正常响应
	{
    
    
		Iic_Stop();
		return 3;
	}
	
	Iic_Stop();  //结束通信
	
	Systick_Delay_ms(10);  //写周期
	
	return 0;
}

AT24C02读一个字节

有写必有读，随机读一个字节的数据会比写入稍微负责一点点，中间要做一次切换，不过也是使用之前的模块拼凑起来的。
手册中的描述如下：

实际的波形如下：
这个图在前面介绍了，这里也不做赘述了。

除此之外还有页写、按顺序读，这些也都是根据之前的那些内容进行拼接起来就可以了，这里就不再赘述，大家可以自己去尝试一下。

实现的效果

首先对AT24C02的第10个字节地址写入0X41（‘A’），然后将其读取出来，并用串口打印，结果如下图，可以正常的读取到写入的A。

总结

关于这个板子使用GPIO模拟I2C实现对EEPROM的写入和读取的操作就介绍到这里，后面还有一个红外发射管也是用的IO模拟，除此之外就全部是使用的控制器来实现的了，这写在后面会一一介绍到，文中如有不足欢迎批评指正。