16.1 关于I2C
16.1.1 I2C协议

I²C（Inter-Integrated Circuit），常读作“I方C”,它是一种多主从架构串行通信总线。在1980年由飞利浦公司设计，用于让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备。如今在嵌入式领域是非常常见通信协议，常用于MPU/MCU与外部设备连接通信、数据传输。

I²C由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过该地址来访问不同设备。因为I²C协议比较简单，常常用GPIO来模拟I²C时序，这种方法称为模拟I²C。如果使用MCU的I²C控制器，设置好I²C控制器, I²C控制器就自动实现协议时序，这种方式称为硬件I²C。因为I²C设备的速率比较低，通常两种方式都可以，模拟I²C方便移植，硬件I²C工作效率相对较高。

关于I²C协议，通过下面例子进行一个形象的比喻方便大家理解，如图 16.1.1 所示，老师（MCU）将球（数据）传给众多学生中的一个（众多外设设备中的一个）。

图 16.1.1 I²C协议比喻

首先老师将球踢给某学生，即主机发送数据给从机，步骤如下：

1) 老师：开始了(start)；

2) 老师：A！我要发球给你！(地址/方向)；

3) 学生A：到！(回应)；

4) 老师把球发出去（传输）；

5) A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）；

6) 老师：结束（停止）；



接着老师让学生把球传给自己，即从机发送数据给主机，步骤如下：

1) 老师：开始了(start)；

2) 老师：B！把球发给我！(地址/方向)；

3) 学生B：到！

4) B把球发给老师（传输）；

5) 老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）；

6) 老师：结束（停止）。



从上面的例子可知，都是老师（主机）主导传球，按照规范的流程（通信协议），以保证传球的准确性，收发球的流程总结如下：

① 老师说开始了，表示开始信号(start)；

② 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)；

③ 该学生回应老师(ack)；

④ 老师发球/接球，表示数据的传输；

⑤ 收到球要回应：回应信号(ACK)；

⑥ 老师说结束，表示IIC传输结束(P)。



以上就是I²C的传输协议，如果是软件模拟I²C，需要依次实现每个步骤。因此，还需要知道每一步的具体细节，比如什么时候的数据有效，开始信号怎么表示。



数据有效性

I²C由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。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。换言之，SCL为高电平时表示有效数据，SDA为高电平表示“1”，低电平表示“0”；SCL为低电平时表示无效数据，此时SDA会进行电平切换，为下次数据表示做准备。数据有效性示意图如图 16.1.2 所示。

图 16.1.2 数据有效性

开始信号和结束信号

I²C起始信号（S）：当SCL高电平时，SDA由高电平向低电平转换；

I²C停止信号（P）：当SCL高电平时，SDA由低电平向高电平转换；

图 16.1.3 开始信号和结束信号

应答信号                          

I²C每次传输的8位数据，每次传输后需要从机反馈一个应答位，以确认从机是否正常接收了数据。当主机发送了8位数据后，会再产生一个时钟，此时主机放开SDA的控制，读取SDA电平，在上拉电阻的影响下，此时SDA默认为高，必须从机拉低，以确认收到数据。

图 16.1.4 数据传输格式和应答信号

完整传输流程  

I²C完整传输流程如下：

① SDA和SCL开始都为高，然后主机将SDA拉低，表示开始信号；

② 在接下来的8个时间周期里，主机控制SDA的高低，发送从机地址。其中第8位如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输数据给从机；如果为1，表示接下来是读操作，即从机传输数据给主机；另外，数据传输是从最高位到最低位，因此传输方式为MSB（Most Significant Bit）。

③ 总线中对应从机地址的设备，发出应答信号；

④ 在接下来的8个时间周期里，如果是写操作，则主机控制SDA的高低；如果是读操作，则从机控制SDA的高低；

⑤ 每次传输完成，接收数据的设备，都发出应答信号；

⑥ 最后，在SCL为高时，主机由低拉高SDA，表示停止信号，整个传输结束；

图 16.1.5 I2C传输时序

16.1.2 EEPROM介绍

EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。通常用于存放用户配置信息数据，比如在开发板首次运行时，需要屏幕校准，校准后的配置信息就可以保存在EEPROM里，开发板断电后配置信息不丢失，下次启动，开发板自动读取EEPROM的校准配置信息，就不需要重新校准。

EEPROM和Flash的本质上是一样的，Flash包括MCU内部的Flash和外部扩展的Flash，本开发板就有一个SPI接口的外部Flash（W25Q64），在后面SPI接口再讲解。从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而EEPROM存放用户数据，可能会反复修改。从结构上，Flash按扇区操作，EEPROM通常按字节操作。两者区别这里不再过多赘述，读者理解EEPROM在嵌入式中扮演的角色即可。



结构组成

EEPROM类型众多，其中比较常见是AT24Cxx系列，从命名上看，AT24Cxx中xx的单位是K Bit，如AT24C08，其存储容量为8K Bit。本开发板上的EEPROM型号为AT24C02，其存储容量为2K Bit，2*1024=2048 Bit。

对于AT24C01/02，每页大小为8 Byte，对于AT24C04/08/16，每页大小为16 Byte。如图 16.1.6 所示，AT24C02由32页（Page）组成，每一页由8个字节（Byte）组成，每个Byte由8位（Bit）组成，Bit为最小存储单位，存放1个0或1。

图 16.1.6 AT24C02结构示意图

设备地址  

I²C设备都会有一个设备地址，不同容量的AT24C02，设备地址定义会有所差异，由芯片数据手册《AT24Cxx.pdf》可知，如图 16.1.7 所示。

图 16.1.7 AT24Cxx设备地址定义

AT24C02的容量为2K，对应上图中的第一行，高四位固定为“1010”，中间三位由A2、A1、A0引脚的电平决定，比如A2~0引脚全接地，则值为“000”，最后的最低位为读写位，0代表写命令，1代表读命令。

A2、A1、A0引脚电平需要由原理图决定，假设全接电源地，则如果需要向AT24C02写数据，则发送地址“1010 0000”，如果需要向AT24C02读数据，则发送地址“1010 0001”。

假设开发板有多个AT24C02挂在同一I²C总线上，通过这个规则，只需设计电路时，让A2、A1、A0引脚电平不同，即可区分两个AT24C02。

对于容量再大一点的AT24Cxx系列，比如AT24C04，器件地址由A2、A1引脚决定，数据空间有P0决定。比如对AT24C04的0~2K空间操作，则P0为0，对2K~4K空间操作，则P0为1。



写AT24Cxx  

AT24Cxx支持字节写模式和页写模式。字节写模式是一个地址一个数据的写；页写模式是连续写数据，一个地址多个数据的写，但是页写模式不能自动跨页，如果超出一页长度，超出的数据会覆盖原先写入的数据。

如图 16.1.8 所示，为AT24Cxx字节写模式的时序，在MCU发出开始信号（Start）后，发出8 Bit的设备地址信息（图中读写位为低电平，即写数据），待收到AT24Cxx应答信号后，再发出要写的数据地址，再次等待AT24Cxx应答，最后发出8 Bit数据写数据，待AT24Cxx应答后，发出停止信号（Stop），完成一次单字节写数据。

图 16.1.8 AT24Cxx字节写模式时序

AT24C02容量为2K，因此数据地址范围为0x00~0xFF，即0~255，每个数据地址每次写1Byte，即8bit，也就刚好256*8=2048Bit。对于1K容量的产品，数据地址范围为0x00~0x7F，最高位不会用到，因此图中数据地址的最高位为“*”，意思是对于1K容量的产品，该位无需关心。

图 16.1.9 单字节写模流程图

图 16.1.10 为AT24Cxx的页写模式时序，与字节写模式的差异在于，不是只发送1Byte数据，而是任意多个。需要注意，该模式不能跨页写，遇到跨页时，需要重新发送完整的时序。

图 16.1.10 AT24Cxx页写模式时序

值得一提的是，《AT24Cxx.pdf》里提到每次写完之后，再到下次写之前，需要间隔5ms时间，以确保上次写操作在芯片内部完成，如图 16.1.11 所示。

图 16.1.11 AT24Cxx写间隔

读AT24Cxx

AT24Cxx支持当前地址读模式、随机地址读模式和顺序读模式。当前地址读模式就是在上一次读/写操作之后的最后位置，继续读出数据，比如上次读/写在地址n，接下来可以直接从n+1处读出数据；随机地址读模式是指定数据地址，然后读出数据；顺序读模式是连续读出多个数据。

在当前地址读模式下，无需发送数据地址，数据地址为上一次读/写操作之后的位置，时序如图 16.1.12 所示，注意在结尾，主机接收数据后，无需产生应答信号。

图 16.1.12 AT24Cxx当前地址读模式

在随机地址读模式下，需要先发送设备地址，待读的数据地址，接着再重新发出开始信号，设备地址，读出数据，时序如图 16.1.13 所示。

图 16.1.13 AT24Cxx随机地址读模式

在顺序读模式下，需要先从当前地址读模式或随机地址读模式启动，随后便可连续读多个数据，时序如图 16.1.14 所示

图 16.1.14 AT24Cxx顺序读模式

16.2 硬件设计
如图 16.2.1 为开发板EEPROM部分的原理图，U6为AT24C02芯片，它的A0、A1、A2都接地，因此该设备地址为“1010 000X”，当读该设备时，X为1，写该设备时，X为0。

U4的7脚为写保护引脚（Write Protect，WP），当该引脚为高，则禁止写AT24C02，这里直接拉低WP，任何时候都可直接写AT24C02。

此外，I2C的两个脚SCL和SDA都进行了上拉处理，从而保证I2C总线空闲时，两根线都必须为高电平。如果没有上拉，在主机发送完数据后，放开SDA，此时SDA的电平状态不确定，可能为高，也可能为低，无法确定是从机拉低给出应答信号。

结合原理图可知，PB6作为了I2C1的SCL，PB7作为了I2C1的SDA。

图 16.2.1 EEPROM模块原理图

16.3 软件设计
16.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验通过GPIO模拟I2C总线时序，对EEPROM设备AT24C02进行读写操作。

1) 引脚初始化：GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为输入/输出模式（PB6、PB7）；

2) 封装I2C每个环节的时序函数：起始信号、响应信号、读写数据、停止信号；

3) 使用I2C协议函数，实现对AT24C02的读写；

4) 主函数，每按一次按键，写一次AT24C02，接着读出来验证是否和写的数据一致；

本实验配套代码位于“5_程序源码\8_通信—模拟I2C\”。



16.3.2 软件设计讲解

1) GPIO选择与接口定义

首先定义SCL和SDA引脚，引脚的高低电平宏定义，如代码段 16.3.1 所示。

代码段 16.3.1 模拟I2C引脚相关定义（driver_i2c.h）

1. /************************* I2C 硬件相关定义 *************************/
   
2. 
   
3. #define ACK                 (0)
   
4. 
   
5. #define NACK                (1)
   
6. 
   
7. 
   
8. 
   
9. #define SCL_PIN             GPIO_PIN_6
   
10. 
    
11. #define SCL_PORT            GPIOB
    
12. 
    
13. #define SCL_PIN_CLK_EN()    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
    
14. 
    
15. 
    
16. 
    
17. #define SDA_PIN             GPIO_PIN_7
    
18. 
    
19. #define SDA_PORT            GPIOB
    
20. 
    
21. #define SDA_PIN_CLK_EN()    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
    
22. 
    
23. 
    
24. 
    
25. #define SCL_H()             HAL_GPIO_WritePin(SCL_PORT, SCL_PIN, GPIO_PIN_SET)
    
26. 
    
27. #define SCL_L()             HAL_GPIO_WritePin(SCL_PORT, SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET)
    
28. 
    
29. #define SCL_INPUT()         HAL_GPIO_ReadPin(SCL_PORT, SCL_PIN)
    
30. 
    
31. 
    
32. 
    
33. #define SDA_H()             HAL_GPIO_WritePin(SDA_PORT, SDA_PIN, GPIO_PIN_SET)
    
34. 
    
35. #define SDA_L()             HAL_GPIO_WritePin(SDA_PORT, SDA_PIN, GPIO_PIN_RESET)
    
36. 
    
37. #define SDA_INPUT()         HAL_GPIO_ReadPin(SDA_PORT, SDA_PIN)

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接着将两个GPIO引脚初始化，使能引脚时钟，先默认设置为输出模式。SCL引脚为时钟信号，始终为输出模式，SDA引脚为数据引脚，可能输出或者输入，因此还需要编写函数实现输入、输出的切换，如代码段 16.3.2 所示。

代码段 16.3.2 I2C引脚初始化（driver_i2c.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void I2C_Init(void)
   
3. *  输入参数：
   
4. *  输出参数：无
   
5. *  返回值：无
   
6. *  函数作用：初始化模拟I2C的引脚为输出状态且SCL/SDA都初始为高电平
   
7. */
   
8. void I2C_Init(void)
   
9. {
   
10.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
11. 
    
12.     SCL_PIN_CLK_EN();
    
13.     SDA_PIN_CLK_EN();
    
14. 
    
15.     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
16.     GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_NOPULL;
    
17.     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
18. 
    
19.     GPIO_InitStruct.Pin       = SCL_PIN;
    
20.     HAL_GPIO_Init(SCL_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
21. 
    
22.     GPIO_InitStruct.Pin       = SDA_PIN;
    
23.     HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
24. 
    
25.     SCL_H();
    
26.     SDA_H();
    
27. }
    
28. 
    
29. /*
    
30. *  函数名：static void I2C_SDA_OUT(void)
    
31. *  输入参数：
    
32. *  输出参数：无
    
33. *  返回值：无
    
34. *  函数作用：配置SDA引脚为输出
    
35. */
    
36. static void I2C_SDA_OUT(void)
    
37. {
    
38.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
39. 
    
40.     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
41.     GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
    
42.     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
43. 
    
44.     GPIO_InitStruct.Pin       = SDA_PIN;
    
45.     HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
46. }
    
47. 
    
48. /*
    
49. *  函数名：static void I2C_SDA_IN(void)
    
50. *  输入参数：
    
51. *  输出参数：无
    
52. *  返回值：无
    
53. *  函数作用：配置SDA引脚为输入
    
54. */
    
55. static void I2C_SDA_IN(void)
    
56. {
    
57.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
58. 
    
59.     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_INPUT;
    
60.     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
61. 
    
62.     GPIO_InitStruct.Pin       = SDA_PIN;
    
63.     HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
64. }

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2) I2C时序函数

开始信号/结束信号

参考前面图 16.1.3 所示的开始信号和结束信号编写程序。对于开始信号，首先将SDA和SCL都拉高，随后SDA拉低，再SCL拉低。对于结束信号，首先拉低SDA，拉高SCL，再拉低SDA，代码如代码段 16.3.3 所示。

代码段 16.3.3 I2C开始信号和结束信号（driver_i2c.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void I2C_Start(void)
   
3. *  输入参数：
   
4. *  输出参数：无
   
5. *  返回值：无
   
6. *  函数作用：I2C开始信号
   
7. */
   
8. void I2C_Start(void)
   
9. {
   
10.     I2C_SDA_OUT();
    
11. 
    
12.     SCL_H();
    
13.     I2C_Delay();
    
14. 
    
15.     SDA_H();
    
16.     I2C_Delay();
    
17. 
    
18.     SDA_L();
    
19.     I2C_Delay();
    
20. 
    
21.     SCL_L();
    
22.     I2C_Delay();
    
23. }
    
24. 
    
25. /*
    
26. *  函数名：void I2C_Stop(void)
    
27. *  输入参数：
    
28. *  输出参数：无
    
29. *  返回值：无
    
30. *  函数作用：I2C停止信号
    
31. */
    
32. void I2C_Stop(void)
    
33. {
    
34.     I2C_SDA_OUT();
    
35. 
    
36.     SDA_L();
    
37.     I2C_Delay();
    
38. 
    
39.     SCL_H();
    
40.     I2C_Delay();
    
41. 
    
42.     SDA_H();
    
43.     I2C_Delay();
    
44. }

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应答信号/非应答信号/等待应答信号

参考前面图 16.1.4 所示，编译应答信号，如代码段 16.3.4 所示。

代码段 16.3.4 应答/非应答/等待应答信号（driver_i2c.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void I2C_ACK(void)
   
3. *  输入参数：
   
4. *  输出参数：无
   
5. *  返回值：无
   
6. *  函数作用：I2C发出应答信号
   
7. */
   
8. void I2C_ACK(void)
   
9. {
   
10.     I2C_SDA_OUT();
    
11. 
    
12.     SCL_L();
    
13.     I2C_Delay();
    
14. 
    
15.     SDA_L();
    
16.     I2C_Delay();
    
17. 
    
18.     SCL_H();
    
19.     I2C_Delay();
    
20. 
    
21.     SCL_L();
    
22.     I2C_Delay();
    
23. }
    
24. 
    
25. /*
    
26. *  函数名：void I2C_NACK(void)
    
27. *  输入参数：
    
28. *  输出参数：无
    
29. *  返回值：无
    
30. *  函数作用：I2C发出非应答信号
    
31. */
    
32. void I2C_NACK(void)
    
33. {
    
34.     I2C_SDA_OUT();
    
35. 
    
36.     SCL_L();
    
37.     I2C_Delay();
    
38. 
    
39.     SDA_H();
    
40.     I2C_Delay();
    
41. 
    
42.     SCL_H();
    
43.     I2C_Delay();
    
44. 
    
45.     SCL_L();
    
46.     I2C_Delay();
    
47. }
    
48. 
    
49. /*
    
50. *  函数名：uint8_t I2C_GetACK(void)
    
51. *  输入参数：
    
52. *  输出参数：无
    
53. *  返回值：1无应答，0有应答
    
54. *  函数作用：I2C等待从机的应答信号
    
55. */
    
56. uint8_t I2C_GetACK(void)
    
57. {
    
58.     uint8_t time = 0;
    
59.     I2C_SDA_IN();
    
60. 
    
61.     SCL_L();
    
62.     I2C_Delay();
    
63. 
    
64.     SDA_H();
    
65.     I2C_Delay();
    
66. 
    
67.     SCL_H();
    
68.     I2C_Delay();
    
69. 
    
70.     while(SDA_INPUT())
    
71.     {
    
72.         time++;
    
73.         if(time>250)
    
74.         {
    
75.             SCL_L();
    
76.             return 1;
    
77.         }
    
78.     }
    
79.     SCL_L();
    
80. 
    
81.     return 0;
    
82. }

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8~23行：应答信号，在一个SDA时钟周期里，将SCL拉低；

32~47行：非应答信号，在一个SDA时钟周期里，将SCL拉高；

56~82行：等待应答信号，拉高SDA后放开SDA，读取SDA是否被拉低，如果拉低返回0，否则返回1；



发送/接收函数

最后还剩发送/接收函数，如代码段 16.3.5 所示。对于发送函数，控制SDA产生8个时钟周期，每个时钟周期里控制SDA高低电平发送1位数据。对于接收函数，控制SDA产生8个时钟周期，每个时钟周期里读取SDA高低电平接收1位数据。

代码段 16.3.5 发送/接收函数（driver_i2c.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void I2C_SendByte(uint8_t data)
   
3. *  输入参数：data->发送的数据
   
4. *  输出参数：无
   
5. *  返回值：无
   
6. *  函数作用：I2C发送一个字节
   
7. */
   
8. void I2C_SendByte(uint8_t data)
   
9. {
   
10.     uint8_t cnt = 0;
    
11. 
    
12.     I2C_SDA_OUT();
    
13. 
    
14.     for(cnt=0; cnt<8; cnt++)
    
15.     {
    
16.         SCL_L();
    
17.         I2C_Delay();
    
18. 
    
19.         if(data & 0x80)
    
20.         {
    
21.             SDA_H();
    
22.         }
    
23.         else
    
24.         {
    
25.             SDA_L();
    
26.         }
    
27.         data = data<<1;
    
28.         SCL_H();
    
29.         I2C_Delay();
    
30.     }
    
31. 
    
32.     SCL_L();
    
33.     I2C_Delay();
    
34.     I2C_GetACK();
    
35. }
    
36. 
    
37. /*
    
38. *  函数名：uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t ack)
    
39. *  输入参数：ack->发送的应答标志，1应答，0非应答
    
40. *  输出参数：无
    
41. *  返回值：返回读到的字节
    
42. *  函数作用：I2C读出一个字节
    
43. */
    
44. uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t ack)
    
45. {
    
46.     uint8_t cnt;
    
47.     uint8_t data = 0xFF;
    
48. 
    
49.     SCL_L();
    
50.     I2C_Delay();
    
51. 
    
52.     for(cnt=0; cnt<8; cnt++)
    
53.     {
    
54.         SCL_H();                 //SCL高(读取数据)
    
55.         I2C_Delay();
    
56. 
    
57.         data <<= 1;
    
58.         if(SDA_INPUT())
    
59.         {
    
60.             data |= 0x01;        //SDA高(数据为1)
    
61.         }
    
62.         SCL_L();
    
63.         I2C_Delay();
    
64.     }
    
65.     //发送应答信号，为低代表应答，高代表非应答
    
66.     if(ack == 0)
    
67.     {
    
68.         I2C_ACK();
    
69.     }
    
70.     else
    
71.     {
    
72.         I2C_NACK();
    
73.     }
    
74.     return data;                 //返回数据
    
75. }

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14~31行：循环8次，每次循环：

16行：先拉低SCL；

19~26行：将输入的数据data与0x08且运算，得到最高位的值，从而控制SDA输出对应的高、低电平;

27行：将data左移一位，得到次高位；

29行：拉高SCL，让SDA处于稳定期，从设备即可获取SDA的值；

35行：等待从设备的应答信号；

53~65行：循环8次，每次循环：

55行：先拉高SCL，此时认为从设备控制SDA电平，处于稳定期；

58行：将data左移1位，以确保收到数据按最高位在前存放；

59~62行：读取SDA电平，如果为高，保存到data当前最低位，否则data最低位默认为0；

63行：SCL拉低，此时从设备继续控制SDA电平变化

66~74行：根据传入的参数，决定是否发送应答信号；



整个I2C协议函数中，经常用到“ I2C_Delay()”来实现SCL时钟周期。对于AT24Cxx，由其芯片手册可知，时钟脉冲宽度（Clock Pulse Width）需要大于5us，也就是SCL如果刚变为高电平，需要等待至少5us才能变为低电平，因此定义“ I2C_Delay()”为5us以上即可。

1. #define I2C_Delay()     us_timer_delay(5)  // Clock Pulse Width >5us

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这里的“us_timer_delay()”可以由定时器提供，也可以使用循环提供，前者精度更高，效果更好。定时器的介绍在后面章节，本章不作分析，延时函数的两者方式如代码段 16.3.6 所示。

代码段 16.3.6 延时函数的实现（driver_timer.c）

1. #if 0
   
2. /*
   
3. *  函数名：void us_timer_delay(uint16_t t)
   
4. *  输入参数：t-延时时间us
   
5. *  输出参数：无
   
6. *  返回值：无
   
7. *  函数作用：定时器实现的延时函数，延时时间为t us，为了缩短时间，函数体使用寄存器操作，用户可对照手册查看每个寄存器每一位的意义
   
8. */
   
9. void us_timer_delay(uint16_t t)
   
10. {
    
11.     uint16_t counter = 0;
    
12.     __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim, t);
    
13.     __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim, counter);
    
14.     HAL_TIM_Base_Start(&htim);
    
15.     while(counter != t)
    
16.     {
    
17.         counter = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim);
    
18.     }
    
19.     HAL_TIM_Base_Stop(&htim);
    
20. }
    
21. #else
    
22. /*
    
23. *  函数名：void us_timer_delay(uint16_t t)
    
24. *  输入参数：t-延时时间us
    
25. *  输出参数：无
    
26. *  返回值：无
    
27. *  函数作用：延时粗略实现的延时函数，延时时间为t us
    
28. */
    
29. void us_timer_delay(uint16_t t)
    
30. {
    
31.     uint16_t counter = 0;
    
32. 
    
33.     while(t--)
    
34.     {
    
35.         counter=10;
    
36. 
    
37.         while(counter--) ;
    
38.     }
    
39. }
    
40. #endif

复制代码

3) AT24C02读写函数

编写好I2C协议函数后，参考AT24C02手册编写读写数据函数，如代码段 16.3.7 所示。

代码段 16.3.7 读写AT24C02一字节数据（driver_eeprom.c）

1. /*
   
2. *  函数名：uint8_t EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data)
   
3. *  输入参数：addr -> 写一个字节的EEPROM初始地址
   
4. *            data -> 要写的数据
   
5. *  输出参数：无
   
6. *  返回值：无
   
7. *  函数作用：EEPROM写一个字节
   
8. */
   
9. void EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data)
   
10. {
    
11.     /* 1. Start */
    
12.     I2C_Start();
    
13. 
    
14.     /* 2. Write Device Address */
    
15.     I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_WR );
    
16. 
    
17.     /* 3. Data Address */
    
18.     if(EEPROM_WORD_ADDR_SIZE==0x08)
    
19.     {
    
20.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr & 0x00FF) );
    
21.     }
    
22.     else
    
23.     {
    
24.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr>>8) );
    
25.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr & 0x00FF) );
    
26.     }
    
27. 
    
28.     /* 4. Write a byte */
    
29.     I2C_SendByte(data);
    
30. 
    
31.     /* 5. Stop */
    
32.     I2C_Stop();
    
33. }
    
34. 
    
35. /*
    
36. *  函数名：uint8_t EEPROM_ReadByte(uint16_t addr, uint8_t *pdata)
    
37. *  输入参数：addr -> 读一个字节的EEPROM初始地址
    
38. *            data -> 要读的数据指针
    
39. *  输出参数：无
    
40. *  返回值：无
    
41. *  函数作用：EEPROM读一个字节
    
42. */
    
43. void EEPROM_ReadByte(uint16_t addr, uint8_t *pdata)
    
44. {
    
45.     /* 1. Start */
    
46.     I2C_Start();
    
47. 
    
48.     /* 2. Write Device Address */
    
49.     I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_WR );
    
50. 
    
51.     /* 3. Data Address */
    
52.     if(EEPROM_WORD_ADDR_SIZE==0x08)
    
53.     {
    
54.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr & 0x00FF) );
    
55.     }
    
56.     else
    
57.     {
    
58.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr>>8) );
    
59.         I2C_SendByte( (uint8_t)(addr & 0x00FF) );
    
60.     }
    
61. 
    
62.     /* 4. Start Again */
    
63.     I2C_Start();
    
64. 
    
65.     /* 5. Write Device Address Read */
    
66.     I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_RD );
    
67. 
    
68.     /* 6.Read a byte */
    
69.     *pdata = I2C_ReadByte(NACK);
    
70. 
    
71.     /* 7. Stop */
    
72.     I2C_Stop();
    
73. }

复制代码

参加前面图 16.2.1 和图 16.1.13 所示的介绍时序，编写AT24C02一字节读写程序。

9~33行：写AT24C02一字节数据；

12行：发送I2C开始信号；

15行：发送AT24C02的设备地址，最后一位表示写操作；

18~26行：根据EEPROM型号，调用不同的数据地址长度设置函数（AT24C01/02为8位，AT24C04/08/16为16位）；

29行：发送数据；

32行：发送I2C停止信号；

43~73行：读AT24C02一字节数据；

46行：发送I2C开始信号；

49行：发送AT24C02的设备地址，最后一位表示写操作（接下来要写数据地址）；

52~60行：根据EEPROM型号，调用不同的数据地址长度设置函数（AT24C01/02为8位，AT24C04/08/16为16位）；

63行：再次发送I2C开始信号；

66行：发送AT24C02的设备地址，最后一位表示读操作；

69行：读取AT24C02数据，且无需ACK；

72行：发送I2C停止信号；

实现了对AT24C02单字节的读写，还需要实现多字节的读写。多字节读写可以通过AT24Cxx的页写模式和顺序读模式，实现多个数据的连续读写。在页写模式时，需要程序上设置，不能跨页写，这里简单处理，直接多次调用前面的单次读写即可，如代码段 16.3.8 所示。

代码段 16.3.8 读写AT24C02多字节数据（driver_eeprom.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void EEPROM_Write_NBytes(uint16_t addr, uint8_t *pdata, uint16_t sz)
   
3. *  输入参数：addr -> 写一个字节的EEPROM初始地址
   
4. *            data -> 要写的数据指针
   
5. *            sz   -> 要写的字节个数
   
6. *  输出参数：无
   
7. *  返回值：无
   
8. *  函数作用：EEPROM写N个字节
   
9. */
   
10. void EEPROM_Write_NBytes(uint16_t addr, uint8_t *pdata, uint16_t sz)
    
11. {
    
12.     uint16_t i = 0;
    
13. 
    
14.     for(i=0; i<sz; i++)
    
15.     {
    
16.         EEPROM_WriteByte(addr, pdata<i>);
    
17.         addr++;
    
18.         HAL_Delay(10); // Write Cycle Time 5ms
    
19.     }
    
20. }
    
21. 
    
22. /*
    
23. *  函数名：void EEPROM_Read_NBytes(uint16_t addr, uint8_t *pdata, uint16_t sz)
    
24. *  输入参数：addr -> 读一个字节的EEPROM初始地址
    
25. *            data -> 要读的数据指针
    
26. *            sz   -> 要读的字节个数
    
27. *  输出参数：无
    
28. *  返回值：无
    
29. *  函数作用：EEPROM读N个字节
    
30. */
    
31. void EEPROM_Read_NBytes(uint16_t addr, uint8_t *pdata, uint16_t sz)
    
32. {
    
33.     uint16_t i = 0;
    
34. 
    
35.     for(i=0; i<sz; i++)
    
36.     {
    
37.         EEPROM_ReadByte(addr, &pdata<i>);
    
38.         addr++;
    
39.     }
    
40. }</i></i>

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需要注意的是，AT24Cxx每次写操作后，有一个写间隔，需要间隔5ms以上，因此在写多个字节时，每次写完都需要延时5ms以上。



4) 主函数控制逻辑

在主函数里，每按一下按键，调用“EEPROM_Write_Nbytes()”对AT24C02写一串数据，再调用“EEPROM_Read_Nbytes()”读出该数据，如代码段 16.3.9 所示。

代码段 16.3.9 主函数控制逻辑（main.c）

1. // 初始化I2C
   
2.    I2C_Init();
   
3. 
   
4.    while(1)
   
5.    {
   
6.        if(key_flag) // 按键按下
   
7.        {
   
8.            key_flag = 0;
   
9. 
   
10.            printf("\n\r");
    
11.            printf("Start write and read eeprom.\n\r");
    
12. 
    
13.            // 读写一串字符，并打印
    
14.            EEPROM_Write_NBytes(0, tx_buffer, sizeof(tx_buffer)); // 写数据
    
15.            HAL_Delay(1);
    
16. 
    
17.            EEPROM_Read_NBytes(0, rx_buffer, sizeof(tx_buffer));  // 读数据
    
18.            HAL_Delay(1);
    
19. 
    
20.            printf("EEPROM Write: %s\n\r", tx_buffer);
    
21.            printf("EEPROM Read : %s\n\r", rx_buffer);
    
22. 
    
23.            memset((uint8_t*)rx_buffer, 0, sizeof(rx_buffer));   // 清空接收的数据
    
24.        }
    
25. }
    

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16.4 实验效果
本实验对应配套资料的“5_程序源码\8_通信—模拟I2C\”。打开工程后，编译，下载，按下按键KEY，即可看到串口如图 16.4.1 所示。

图 16.4.1 模拟I2C读写AT24C02数据

作者：攻城狮子黄