速通蓝桥杯嵌入式省一教程：（九）AT24C02芯片（E2PROM存储器）读写操作与I2C协议

AT24C02芯片（又叫E2PROM存储器、EEPROM存储器），是一种通过I2C(IIC)协议通信的掉电保存存储器芯片，其内部含有256个8位字节。在介绍这款芯片之前，我们先来粗略了解一下I2C协议。

I2C总线是一种双向二线制的同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息（分别为SDA和SCL）。在I2C总线上，可以有若干个从机（如AT24C02芯片），但只能有一个主机（如单片机）。像不同的通信协议一样，I2C协议规定了一些SDA、SCL的行为（如什么时候谁置高、什么时候谁置低，用以代表什么含义），连在I2C总线上的器件则依靠这个规则来传输数据与接收数据。

（想要深入了解I2C协议，可以参考嵌入式硬件入门——EEPROM（AT24C02+I2C协议）)

通常，单片机上内置了硬件I2C。开启硬件I2C，并使用相应的HAL库函数，单片机中的硬件I2C就会按照其已经设定好的I2C协议与别的I2C器件进行通信。与硬件I2C相对的，还有软件I2C。软件I2C是指按照I2C协议，自行用两个GPIO端口置高或低模拟SDA和SCL的行为。在比赛方提供的资源数据包——底层驱动代码参考中，有用HAL库函数实现的软件I2C的库，我们就基于这个库来使用AT24C02芯片（E2PROM存储器）进行读写操作。

打开电路原理图（CT117E-M4产品手册），可以看到STM32G431RBT6的24C02芯片被挂到了PB6、PB7上（相当于I2C总线的SDA和SCL）：

因此，我们需要在Cube中将PB6和PB7设置为GPIO输出模式。

设置完成后，需要调用比赛方提供的软件I2C库：i2c_hal.c和i2c_hal.h，我们需要用到的函数如下：

/*** @brief I2C起始信号* @param None* @retval None*/
void I2CStart(void);/*** @brief I2C结束信号* @param None* @retval None*/
void I2CStop(void);/*** @brief I2C等待确认信号* @param None* @retval None*/
unsigned char I2CWaitAck(void);/*** @brief I2C发送一个字节* @param cSendByte 需要发送的字节* @retval None*/
void I2CSendByte(unsigned char cSendByte);/*** @brief I2C接收一个字节* @param None* @retval 接收到的字节*/
unsigned char I2CReceiveByte(void);

下面，我们来看看如何利用这些函数来进行E2PROM的读写操作。

打开AT24C02芯片手册（在选手资源数据包——芯片资料中），可以找到向E2PROM写入数据与读取数据（读取内存）的流程图：

 

对应流程图，我们就可以编写E2PROM的读写操作函数如下：

/* e2prom.c */#include "e2prom.h"/* E2PROM写操作，对应Figure 8. Btye Write */
void e2prom_write(unsigned char address, unsigned char info)
{I2CStart();              //1.I2C起始信号(START)I2CSendByte(0xa0);       //2.发送设备地址与“写”信号(DEVICE ADDRESS+WRITE)，将在下文解释I2CWaitAck();            //3.IC2等待确认信号(ACK)I2CSendByte(address);    //4.发送数据存储地址(WORD ADDRESS)（可以为0~255，对应256个）I2CWaitAck();            //5.I2C等待确认信号(ACK)I2CSendByte(info);       //6.发送数据(DATA)I2CWaitAck();            //7.I2C等待确认信号(ACK)I2CStop();               //8.I2C结束信号(STOP)
}/* E2PROM读操作，对应Figure 11. Random Read */
unsigned char e2prom_read(unsigned char address)
{unsigned char val;I2CStart();              //1.I2C起始信号(START)I2CSendByte(0xa0);       //2.发送设备地址与“写”信号(DEVICE ADDRESS+WR-TE)，将在下文解释I2CWaitAck();            //3.IC2等待确认信号(ACK)I2CSendByte(address);    //4.发送数据存储地址(WORD ADDRESS)（可以为0~255，对应256个）I2CWaitAck();            //5.I2C等待确认信号(ACK)I2CStart();              //6.I2C起始信号(START)I2CSendByte(0xa1);       //7.发送设备地址与“读”信号(DEVICE ADDRESS+READ)，将在下文解释I2CWaitAck();            //8.I2C等待确认信号(ACK)val = I2CReceiveByte();  //9.接收数据(DATA)I2CWaitAck();            //10.I2C等待确认信号(NO ACK)I2CStop();               //11.I2C结束信号(STOP)return (val);
}

/* e2prom.h */#ifndef __E2PROM_H
#define __E2PROM_H#include "main.h"
#include "i2c_hal.h"void e2prom_write(unsigned char address, unsigned char info);
unsigned char e2prom_read(unsigned char address);#endif /* __E2PROM_H */

下面来解释一下为什么第二步和第七步发送的是0xa0和0xa1。同样在芯片手册中，可以找到AT24C02芯片的地址：

AT24C01/02/04/08/16分别对应1K/2K/4K/8K/16K，A2、A1、A0分别对应电路原理图的E3、E2、E1。在下图中可以看到，E1、E2、E2均接地，为0。最后一位的R(Read)为1，W(Write)为0。因此，在STM32G431RBT6中，AT24C02的地址为1010000_（即0xa_），最后一位视读或写操作为1或0。

通过调用我们自己编写的e2prom的库，就可以使用E2PROM存储器进行简单的8位数据（unsigned char或uint8_t类型）的存储操作了。

附录

i2c_hal.c

/*程序说明: CT117E-M4嵌入式竞赛板GPIO模拟I2C总线驱动程序软件环境: MDK-ARM HAL库硬件环境: CT117E-M4嵌入式竞赛板日    期: 2020-3-1
*/#include "i2c_hal.h"#define DELAY_TIME	20/*** @brief SDA线输入模式配置* @param None* @retval None*/
void SDA_Input_Mode()
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_7;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}/*** @brief SDA线输出模式配置* @param None* @retval None*/
void SDA_Output_Mode()
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_7;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}/*** @brief SDA线输出一个位* @param val 输出的数据* @retval None*/
void SDA_Output( uint16_t val )
{if ( val ){GPIOB->BSRR |= GPIO_PIN_7;}else{GPIOB->BRR |= GPIO_PIN_7;}
}/*** @brief SCL线输出一个位* @param val 输出的数据* @retval None*/
void SCL_Output( uint16_t val )
{if ( val ){GPIOB->BSRR |= GPIO_PIN_6;}else{GPIOB->BRR |= GPIO_PIN_6;}
}/*** @brief SDA输入一位* @param None* @retval GPIO读入一位*/
uint8_t SDA_Input(void)
{if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_7) == GPIO_PIN_SET){return 1;}else{return 0;}
}/*** @brief I2C的短暂延时* @param None* @retval None*/
static void delay1(unsigned int n)
{uint32_t i;for ( i = 0; i < n; ++i);
}/*** @brief I2C起始信号* @param None* @retval None*/
void I2CStart(void)
{SDA_Output(1);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);SDA_Output(0);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);
}/*** @brief I2C结束信号* @param None* @retval None*/
void I2CStop(void)
{SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);SDA_Output(0);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);SDA_Output(1);delay1(DELAY_TIME);}/*** @brief I2C等待确认信号* @param None* @retval None*/
unsigned char I2CWaitAck(void)
{unsigned short cErrTime = 5;SDA_Input_Mode();delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);while(SDA_Input()){cErrTime--;delay1(DELAY_TIME);if (0 == cErrTime){SDA_Output_Mode();I2CStop();return ERROR;}}SDA_Output_Mode();SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);return SUCCESS;
}/*** @brief I2C发送确认信号* @param None* @retval None*/
void I2CSendAck(void)
{SDA_Output(0);delay1(DELAY_TIME);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);}/*** @brief I2C发送非确认信号* @param None* @retval None*/
void I2CSendNotAck(void)
{SDA_Output(1);delay1(DELAY_TIME);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);}/*** @brief I2C发送一个字节* @param cSendByte 需要发送的字节* @retval None*/
void I2CSendByte(unsigned char cSendByte)
{unsigned char  i = 8;while (i--){SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);SDA_Output(cSendByte & 0x80);delay1(DELAY_TIME);cSendByte += cSendByte;delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);}SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);
}/*** @brief I2C接收一个字节* @param None* @retval 接收到的字节*/
unsigned char I2CReceiveByte(void)
{unsigned char i = 8;unsigned char cR_Byte = 0;SDA_Input_Mode();while (i--){cR_Byte += cR_Byte;SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);delay1(DELAY_TIME);SCL_Output(1);delay1(DELAY_TIME);cR_Byte |=  SDA_Input();}SCL_Output(0);delay1(DELAY_TIME);SDA_Output_Mode();return cR_Byte;
}//
void I2CInit(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_6;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

i2c_hal.h

#ifndef __I2C_HAL_H
#define __I2C_HAL_H#include "stm32g4xx_hal.h"void I2CStart(void);
void I2CStop(void);
unsigned char I2CWaitAck(void);
void I2CSendAck(void);
void I2CSendNotAck(void);
void I2CSendByte(unsigned char cSendByte);
unsigned char I2CReceiveByte(void);
void I2CInit(void);#endif