轻松学PIC之I2C总线篇

发表于 讨论求助 2021-12-15 15:45:47

小空开

  大家好,通过前一期的学习,我们已经对ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板的使用方法及学习方式有所了解与熟悉,学会了如何用单片机来控制发光管、继电器、蜂鸣器、按键、数码管、RS232 串口、步进电机、温度传感器等资源,体会到了学习板的易用性与易学性,看了前几期实例,当你实验成功后一定很兴奋,很有成就感吧!现在我们就趁热打铁,再向上跨一步,一起来学习一下I2C 总线的工作原理及使用方法,这样我们可以将一些我们要保存的数据存储到I2C总线的非易失存储器中,实现断电保持的功能,比如:你设置了一个密码,但不至于这个设备断过电以后就要重新设置过,我们可以将密码数据写在非易失存储器里面,还有如汽车的量程表的读数是不断累计的,可以通过不断访问I2C 存储器实现。

  一、I2C总线特点

  I2C 总线是主从结构,单片机是主器件,存储器是从器件。一条总线可以带多个从器件( 也可以有多主结构),I2C 总线的SDA 和SCL 是双向的,开路门结构,通过上拉电阻接正电源。进行数据传输时,SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变,如图1 所示。

图1 数据位的有效性规定

  在SCL 线是高电平时,SDA 线从高电平向低电平切换表示起始条件;当SCL 是高电平时SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件如图2 所示。

图2 起始和停止信号

  发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位。

  可以由高位到低位传输多个字节。每个字节后必须跟一个响应位(ACK)。响应时钟脉冲由主机产生。主机释放SDA 线从机将SDA 线拉低,并在时钟脉冲的高电平期间保持稳定。如图3 示。当主机接受数据时,它收到一个数据字节后,必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由主机对从机的“非应答”来实现的。然后,从机释放SDA 线,以允许主机产生终止或重复起始信号。

图3 字节格式与应答

  二、数据帧格式

  (1)主机向从机发送数据,数据的传送方向在传输过程中不改变,如图4 所示。

图4 主机向从机发送数据

  注:阴影部分:表示主机向从机发送数据;无阴影部分:表示主机向从机读取数据。

  A:表示应答; :表示非应答。S:起始信号;P :终止信号。

  (2)主机在个字节后,立即向从机读取数据,如图5 所示。

图5 主机在个字节后立即读从机

  (3)复合格式,如图6 所示。传输改变方向的时候,起始条件和从机地址都会被重复,但R/ W- 位取反。如果主机接收器发送一个停止或重复起始信号,它之前应该发送了一个不响应信号(  )。

图6 复合格式

  由以上格式可见,无论哪种传输方式,起始信号、终止信号和地址均由主机发出(图中阴影部分),数据字节的传送方向则由寻址字节中的方向位规定,每个字节的传送都必须有应答位(A 或 )。

  下面通过24C02 实例在增强型PIC 实验板上编程,其硬件原理图如图7 所示,U7 为实验板上24C02 芯片,SDA 与单片机的RB5 口相连,SCL 与单片机RB4 相连,七段数码管D5、D7、D8 组成了显示单元,字形码的数据通过RC 口送入,各数码管的显示片选信号分别不同的RA 口进行控制。

图7 读/ 写AT24C 系列存储器原理图

  在MPLab IDE 软件中新建工程,加入源程序代码,同时进行芯片型号的选择和配置位的设置,我们实验所用的芯片型号为PIC16F877A。

  编写的程序代码如下,其中程序流程图如图8 所示。

  三、软件流程图

图8 I2C 总线读/ 写数据流程图

  四、软件代码

  /**********/

  /* 目标器件:PIC16F877A */

  /* 晶振:4.0MHZ */

  /* 编译环境:MPLAB V7.51 */

  /**********/

  /**********

  包含头文件

  **********/

  #include<pic.h>

  /**********

  数据定义

  **********/

  #define address 0xa

  #define nop() asm("nop")

  #define OP_READ 0xa1

  // 器件地址以及读取操作

  #define OP_WRITE 0xa0

  // 器件地址以及写入操作

  /**********

  端口定义

  **********/

  #define SCL RB4

  #define SDA RB5

  #define SCLIO TRISB4

  #define SDAIO TRISB5

  /**********

  共阴LED 段码表

  **********/

  const char table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0x

  B0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x

  83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};

  /**********

  函数功能: 延时子程序

  **********/

  void delay()

  {

  int i;

  for(i=0;i<100;i++)

  {;}

  }

  /**********

  函数功能: 开始信号

  **********/

  void start()

  {

  SDA=1;

  nop();

  SCL=1;

  nop();nop();nop();nop();nop();

  SDA=0;

  nop();nop();nop();nop();nop();

  SCL=0;

  nop();nop();

  }

  /**********

  函数功能: 停止信号

  **********/

  void stop()

  {

  SDA=0;

  nop();

  SCL=1;

  nop();nop();nop();nop();nop();

  SDA=1;

  nop();nop();nop();nop();

  }

  /**********

  函数功能: 读取数据

  出口参数:read_data

  **********/

  unsigned char shin()

  {

  unsigned char i,read_data;

  for(i=0;i<8;i++)

  { nop();nop();nop();

  SCL=1;

  nop();nop();

  read_data《=1;

  if(SDA == 1)

  read_data=read_data+1;

  nop();

  SCL=0;

  }

  return(read_data);

  }

  /**********

  函数功能: 向EEPROM 写数据

  入口参数:write_data

  出口参数:ack_bit

  **********/

  bit shout(unsigned char write_data)

  {

  unsigned char i;

  unsigned char ack_bit;

  for(i = 0; i < 8; i++)

  {

  if(write_data&0x80)

  SDA=1;

  else

  SDA=0;

  nop();

  SCL = 1;

  nop();nop();nop();nop();nop();

  SCL = 0;

  nop();

  write_data 《= 1;

  }

  nop();nop();

  SDA = 1;

  nop();nop();

  SCL = 1;

  nop();nop();nop();

  ack_bit = SDA; // 读取应答

  SCL = 0;

  nop();nop();

  return ack_bit;

  // 返回AT24Cxx 应答位

  }

  /**********

  函数功能: 向指定地址写数据

  入口参数:addr,write_data

  **********/

  void write_byte(unsigned char addr,

  unsigned char write_data)

  {

  start();

  shout(OP_WRITE);

  shout(addr);

  SDAIO = 0;

  // 在写入数据前SDA 应设置为输出

  shout(write_data);

  stop();

  delay();

  }

  /**********

  函数功能: 向指定地址读数据

  入口参数:random_addr

  出口参数:read_data

  **********/

  unsigned char read_random(unsigned

  char random_addr)

  { unsigned char read_data;

  start();

  shout(OP_WRITE);

  shout(random_addr);

  start();

  shout(OP_READ);

  SDAIO = 1;

  // 读取数据前SDA 应设置为输入

  read_data = shin();

  stop();

  return(read_data);

  }

  /**********

  函数功能: 显示子程序

  入口参数:k

  **********/

  void display(unsigned char k)

  {

  TRISA=0X00;

  // 设置A 口全为输出

  PORTC=table[k/1000];

  // 显示千位

  PORTA=0xEF;

  delay();

  PORTC=table[k/100%10];

  // 显示百位

  PORTA=0xDF;

  delay();

  PORTC = table [k/ 10%10] ;

  // 显示十位

  PORTA=0xFB;

  delay();

  PORTC=table[k%10]; // 显示个位

  PORTA=0xF7;

  delay();

  }

  /**********

  函数功能: 主程序

  **********/

  void main()

  {

  unsigned char eepromdata;

  TRISB=0X00;

  OPTION&=~(1《7);

  // 设置RB 口内部上拉电阻有效

  TRISC=0X00;

  PORTB=0X00;

  PORTC=0xff;

  TRISA=0X00;

  eepromdata=0;

  write_byte(0x01,0x55);

  // 向0x01 地址写入0x55(85) 的数据

  delay();

  write_byte(0x02,0xaa);

  // 向0x02 地址写入0xAA(170) 的数据

  delay();

  eepromdata=read_random(0x02);

  // 读取其中一个地址内的数据来验证

  while(1)

  {

  display(eepromdata);

  }

  }

  编好程序后将编译好的HEX 码通过ICD2仿真烧写器烧入单片机芯片,上电运行,主程序中在0x01 地址写入了“0x55”, 在0x02 地址写入了“0xaa”,然后在while 循环中读出0x02地址的值,也就是我们之前写入的“0x55”,读出后显示在数码管上,我们可以看到数码管显示“170”,即“0xaa”相应的十进制数。

  作为初学者的读者一定对有些语句会有点疑问,可以看程序中的注释部份,24c 系列IC 数据手册和源程序相结合来进行分析。有的常用的函数,请参阅在前几期的教程。

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