26、I2C协议的使用与实践

于 2025-09-05 13:24:30 发布
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分类专栏： PIC单片机编程实战指南 文章标签： I2C协议 24LC256 EEPROM TC74温度传感器
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I2C协议的使用与实践

1. I2C通信协议概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）是由飞利浦在1982年设计的一种同步串行通信协议，它仅使用两条线：SDA（数据线）和SCL（时钟线），因此有时也被称为TWI（Two-Wire Interface）。I2C总线可以有多个主设备和多个从设备，其简单架构如下图所示： 

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    Master(主设备):::process -->|SDA| Slave1(从设备1):::process
    Master -->|SCL| Slave1
    Master -->|SDA| Slave2(从设备2):::process
    Master -->|SCL| Slave2
    Master -->|SDA| Slave3(从设备3):::process
    Master -->|SCL| Slave3

与SPI通信系统相比，I2C仅需两条线是其优势，但该协议也有更严格的要求。

2. EEPROM介绍

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）用于永久存储数据。它最初源于ROM（只读存储器），用于存储系统的BIOS程序，采用非易失性存储器，断电后数据不会丢失。后来发展到PROM（可编程ROM），用户和制造商都可以对其进行编程并永久存储数据。接着是EPROM（可擦除可编程ROM），可以擦除程序或数据以便重新编程，但需要使用紫外线进行擦除。最终发展到EEPROM，可通过发送适当的电信号来擦除数据，既可以永久存储重要数据，又能方便地更改内容，非常实用。

3. 24LC256 EEPROM

3.1 基本信息

24LC256是Microchip生产的一款32k×8位串行EEPROM，符合I2C协议，有八引脚双列直插封装（PDIP）等多种封装形式。

3.2 引脚使用

其引脚使用情况如下表所示：
|引脚编号|用途|
| ---- | ---- |
|1|A0：三个地址线中的第一个|
|2|A1：三个地址线中的第二个|
|3|A2：三个地址线中的第三个|
|4|VSS：接地端|
|5|SDA：数据端，可作为数据输入和输出|
|6|SCL：时钟输入端|
|7|WP：写保护端|
|8|VCC：正电源端|

3.3 通信连接

24LC256与主设备通信仅需两个连接：SCL提供主设备到从设备的时钟信号；SDA在主设备写入时作为数据输入，从设备发送数据时作为数据输出。

3.4 地址设置

它使用A0、A1和A2三条地址线，最多可使八个EEPROM从同一主设备进行单独寻址。WP引脚可防止意外写入，该引脚高电平有效，即逻辑‘1’时，EEPROM不可写入。

3.5 写入操作

向24LC256写入数据的步骤如下：
1. 主设备发送起始位，即在时钟信号为高电平时，SDA线从高到低的转变。
2. 发送控制字节，前四位为控制码1010，接下来三位是EEPROM的地址位A0、A1和A2，必须与实际EEPROM上的三个地址引脚连接的逻辑匹配，最后一位用于确定主设备是写入还是读取操作，写入时该位为逻辑‘0’。
3. 从设备生成确认位，在主设备生成的第九个时钟脉冲为高电平时，将SDA线拉低，每个字节传输后都会产生确认位。
4. 主设备发送要写入或读取的16位地址的高字节，由于是32KB设备，实际上只需要15条地址线，高字节的最高有效位不重要。从设备再次确认该字节。
5. 主设备发送地址的低字节，从设备确认。
6. 主设备发送要写入指定地址的数据字节，从设备确认。
7. 主设备发送停止位，即在SCL线为高电平时，SDA线从低到高的转变。
写入操作流程如下： 

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发送起始位):::process --> B(发送控制字节):::process
    B --> C(等待从设备确认):::process
    C --> D(发送地址高字节):::process
    D --> E(等待从设备确认):::process
    E --> F(发送地址低字节):::process
    F --> G(等待从设备确认):::process
    G --> H(发送数据字节):::process
    H --> I(等待从设备确认):::process
    I --> J(发送停止位):::process

如果要连续写入多个地址，可在第一个数据确认后、主设备发送停止位前发送更多数据，EEPROM会自动打开下一个存储位置。

3.6 读取操作

从24LC256读取数据的步骤如下：
1. 主设备发送起始位，接着发送包含从设备地址的控制字节，最后一位设置为逻辑‘0’，这仍是写入操作，因为主设备需要先写入要开始读取的地址。
2. 从设备确认控制字节后，主设备发送要开始读取的地址的高字节和低字节，从设备发送确认位。
3. 主设备发送新的起始位，接着发送相同的控制和从设备地址信息，但新控制字节的最后一位设置为逻辑‘1’，表示主设备要从刚发送的地址读取数据。
4. 从设备确认新控制字节后，将请求的数据放在SDA总线上，随后是一个非确认位，主设备发送停止位。
读取操作流程如下： 

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发送起始位):::process --> B(发送控制字节):::process
    B --> C(等待从设备确认):::process
    C --> D(发送地址高字节):::process
    D --> E(等待从设备确认):::process
    E --> F(发送地址低字节):::process
    F --> G(等待从设备确认):::process
    G --> H(发送新起始位):::process
    H --> I(发送控制字节，最后一位为1):::process
    I --> J(等待从设备确认):::process
    J --> K(从设备发送数据):::process
    K --> L(主设备发送非确认位):::process
    L --> M(主设备发送停止位):::process

同样，如果要连续读取多个地址，可在发送非确认位和停止位前请求更多数据，EEPROM会自动打开下一个存储位置。

4. TC74温度传感器

4.1 基本信息

TC74是Microchip生产的温度传感器，有五引脚TO22封装和五引脚SOT - 23A封装两种形式。

4.2 引脚使用

其引脚使用情况如下表所示：
|引脚编号|用途|
| ---- | ---- |
|1|NC：无连接|
|2|SDA：数据输入和输出|
|3|GND：接地（TO - 220封装的外标签也接地）|
|4|SCL：时钟输入|
|5|VCC：正电源|

4.3 通信方式

TC74的通信与EEPROM类似，通常为读取操作，但有时也需要写入。

4.4 读取温度操作

读取TC74当前获取的温度的步骤如下：
1. 主设备向从设备发送起始位。
2. 主设备发送TC74的七位地址，默认地址为1001 101，还有其他七个地址需由Microchip设置。
3. 主设备将地址字节的第八位设置为逻辑‘0’，表示正在向TC74写入。
4. 主设备等待从设备的确认位。
5. 主设备发送命令字节0X00。
6. 主设备等待从设备的确认位。
7. 主设备发送另一个起始位。
8. 接着发送地址字节1001 101，但这次第八位设置为逻辑‘1’，表示主设备要从TC74读取数据。
9. 主设备等待确认位。
10. TC74发送表示温度读数的八位数据。
11. 主设备用非确认位和停止位响应。
读取温度操作流程如下： 

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发送起始位):::process --> B(发送七位地址):::process
    B --> C(设置第八位为0):::process
    C --> D(等待确认位):::process
    D --> E(发送命令字节0X00):::process
    E --> F(等待确认位):::process
    F --> G(发送新起始位):::process
    G --> H(发送地址字节，第八位为1):::process
    H --> I(等待确认位):::process
    I --> J(TC74发送温度数据):::process
    J --> K(主设备发送非确认位):::process
    K --> L(主设备发送停止位):::process

5. I2C协议代码实现

以下是使用I2C协议与24LC256 EEPROM和TC74温度传感器通信的代码： 

/*
* File:   12cEEPROMPIC18F4525Prog.c
Author: Mr H. H. Ward
*
Created on 25 July 2018, 13:19
*/
#include <xc.h>
#include <stdio.h>
#include <conFigInternalOscNoWDTNoLVP.h>
#include <4BitLCDDemoBoard.h>
// declare any variables
unsigned char a,b, i, disData, temp, tempr, thigh, tlow, adhigh, adlow;
float sysTemperature;
unsigned char rxData[12];
unsigned char dataout [8] =
{
0x41,
0x6E,
0x6E,
0x2C,
0x57,
0x61,
0x72,
0x64,
};
//declare any subroutines
void ms13delay (unsigned char (t))
{
for (n = 0; n <t; n++)
{
TMR0 = 0;
while (TMR0 < 255);
}
}
void MSSP2CInit()
{
SSPCON1 = 0x28;
SSPCON2 = 0x00;
SSPSTAT = 0x00;
SSPADD =  0x13;
TRISCbits.RC3 = 1;
TRISCbits.RC4 = 1;
}
void MSSP2Cidle()
{
while ((SSPSTAT & 0x04) || (SSPCON2 & 0x1F));
}
void MSSP2Cwait()
{
while(!PIR1bits.SSPIF);
PIR1bits.SSPIF=0;
}
void MSSP2CStart()
{
MSSP2Cidle();
SSPCON2bits.SEN = 1;
}
void MSSP2CStop()
{
MSSP2Cidle();
SSPCON2bits.PEN = 1;
}
void MSSP2CRestart()
{
MSSP2Cidle();
SSPCON2bits.RSEN = 1;
}
void MSSP2CNACK()
{
MSSP2Cidle();
SSPCON2bits.ACKDT = 1;
SSPCON2bits.ACKEN = 1;
}
void MSSP2CWrite(unsigned char data)
{
MSSP2Cidle();
SEND: SSPBUF=data;
MSSP2Cidle();
while(SSPCON2bits.ACKSTAT)
{
SSPCON2bits.RSEN=1;
MSSP2Cwait();
goto SEND;
}
}
unsigned char MSSP2Cread()
{
SSPCON2bits.RCEN=1;
while(!BF);
SSPCON2bits.RCEN=0;
return SSPBUF;
}
unsigned char MSSP2CreadNAck()
{
SSPCON2bits.RCEN=1;
while(!BF);
SSPCON2bits.RCEN=0;
SSPCON2bits.ACKDT=1;
SSPCON2bits.ACKEN=1;
MSSP2Cwait();
return SSPBUF;
}
void writeToEEPROM(unsigned char adhigh, unsigned char adlow, unsigned char edata)
{
MSSP2Cidle();
MSSP2CStart();
MSSP2CWrite(0xA0);
MSSP2CWrite(adhigh);
MSSP2CWrite(adlow);
MSSP2CWrite(edata);
MSSP2CStop();
//ms13delay (2);
}
unsigned char readFromEEPROM(unsigned char adhigh, unsigned char adlow)
{
MSSP2Cidle();
MSSP2CStart();
MSSP2CWrite(0XA0);
MSSP2CWrite(adhigh);
MSSP2CWrite(adlow);
MSSP2CRestart();
MSSP2CWrite(0xA1);
temp = MSSP2CreadNAck ();
MSSP2CStop();
return temp;
}
void displayTemp(float dp)
{
sprintf(str, "%.1f OC   ", dp);
writeString(str);
}
void displayTempNeg(float dp)
{
sprintf(str, "-%.1f OC   ", dp);
writeString(str);
}
void main()
{
PORTA = 0;
PORTB = 0;
PORTC = 0;
PORTD = 0;
TRISA = 0XFF;
TRISB = 0;
TRISC = 0;
TRISD = 0;
ADCON0 = 0;
ADCON1 = 0X0F;
OSCCON = 0X74;
T0CON = 0XC7;
setUpTheLCD ();
MSSP2CInit();
writeString ("Hello EEPROM");
line2 ();
adhigh = 0x01;
for(adlow=0,b=0;adlow<8;adlow++)
{
a = dataout [b];
writeToEEPROM(adhigh,adlow, a);
ms13delay (3);
b++;
}
for(adlow=0, b=0;adlow<8;adlow++)
{
disData = readFromEEPROM(adhigh,adlow);
rxData [b] = disData;
ms13delay (10);
lcdData = rxData[b];
lcdOut ();
}
ms13delay(30);
while (1)
{
clearTheScreen ();
writeString ("Temp is");
line2 ();
MSSP2Cidle ();
MSSP2CStart ();
MSSP2CWrite (0x9A);
MSSP2CWrite (0x00);
MSSP2CRestart();
MSSP2CWrite(0x9B);
thigh = MSSP2CreadNAck ();
MSSP2CStop();
if (thigh & 0b10000000)
{
thigh = (~thigh + 1);
sysTemperature = thigh;
displayTempNeg(sysTemperature);
}
else
{     sysTemperature = thigh;
displayTemp(sysTemperature);
}
ms13delay(61);
}
}

6. 代码分析

6.1 代码结构

  • 注释部分（第1 - 6行） ：为标准注释，包含文件信息和创建时间。
  • 头文件包含（第7 - 10行） ：包含了常用的头文件，其中 stdio.h 用于 sprintf 函数，用于在LCD上显示温度。
  • 变量声明（第12 - 15行） ：设置了一些 unsigned char 类型的变量和一个 float 类型的变量 sysTemperature ，用于存储温度值。还设置了一个空数组 rxData[12] 用于存储从EEPROM读取的数据，以及一个包含八个ASCII值的数组 dataout [8] ，用于存储要写入EEPROM的数据。
  • 子函数声明与实现 ：
    • ms13delay 函数（第27 - 34行） ：创建一个可变延迟的子函数，最小延迟时间为13ms。
    • MSSP2CInit 函数（第35 - 43行） ：初始化MSSP（主同步串行端口）用于I2C操作。
    • MSSP2Cidle 函数（第44 - 47行） ：检查I2C模块是否空闲，避免总线冲突。
    • MSSP2Cwait 函数（第48 - 52行） ：使PIC等待直到MSSP2模块完成操作。
    • MSSP2CStart 函数（第53 - 57行） ：生成发送数据到从设备所需的起始位。
    • MSSP2CStop 函数（第58 - 62行） ：生成停止位。
    • MSSP2CRestart 函数（第63 - 67行） ：生成重启位。
    • MSSP2CNACK 函数（第68 - 73行） ：生成主设备在传输结束时发送给从设备的非确认信号。
    • MSSP2CWrite 函数（第74 - 85行） ：向从设备写入一个字节的数据。
    • MSSP2Cread 函数（第87 - 93行） ：读取I2C总线上的数据。
    • MSSP2CreadNAck 函数（第94 - 103行） ：读取从设备的数据并发送非确认信号。
    • writeToEEPROM 函数（第104 - 114行） ：向EEPROM写入数据。
    • readFromEEPROM 函数（第115 - 127行） ：从EEPROM读取数据。
    • displayTemp 函数（第128 - 132行） ：将 float 类型的温度值显示在LCD上。
    • displayTempNeg 函数（第133 - 137行） ：显示负温度值。

6.2 主函数分析

  • 初始化部分（第139 - 153行） ：对端口、寄存器进行初始化，设置LCD和MSSP2C模块。
  • 写入EEPROM部分（第156 - 163行） ：将数组 dataout 中的数据写入EEPROM的指定地址。
  • 读取EEPROM部分（第164 - 171行） ：从EEPROM读取数据并显示在LCD上。
  • 温度监测部分（第173 - 198行） ：进入无限循环，不断监测TC74温度传感器的温度，并根据温度正负情况显示在LCD上。

通过以上代码和分析，我们可以实现使用I2C协议与24LC256 EEPROM和TC74温度传感器进行通信，完成数据的读写和温度的监测。

7. 关键子函数详细解析

7.1 MSSP2CInit 函数 

void MSSP2CInit()
{
    SSPCON1 = 0x28;
    SSPCON2 = 0x00;
    SSPSTAT = 0x00;
    SSPADD =  0x13;
    TRISCbits.RC3 = 1;
    TRISCbits.RC4 = 1;
}
  • 功能 ：初始化MSSP（主同步串行端口）用于I2C操作。
  • 具体操作 ：
    1. SSPCON1 = 0x28 ：将 SSPCON1 寄存器加载为 0b00101000 ，使 SSPEN 位为逻辑‘1’，开启MSSP模块； CKP 位在I2C模式中不使用；第3位为逻辑‘1’，第2、1、0位为逻辑‘0’，将MSSP设置为I2C模式，时钟频率为振荡器除以 (4 × (SSPADD + 1)) 。
    2. SSPCON2 = 0x00 ：将 SSPCON2 寄存器的所有位加载为逻辑‘0’，关闭相关功能。
    3. SSPSTAT = 0x00 ：将 SSPSTAT 寄存器的所有位加载为逻辑‘0’，关闭相关功能。
    4. SSPADD = 0x13 ：对于24LC256 EEPROM，时钟信号最大频率为100kHz或400kHz，这里使用100kHz。振荡器频率设置为8Mhz，要将其分频到100kHz，需除以80，即 4 × (SSPADD + 1)=80 ，所以 SSPADD 寄存器的值为19（十六进制为0x13）。
    5. TRISCbits.RC3 = 1 和 TRISCbits.RC4 = 1 ：将相应位设置为输入。

7.2 MSSP2Cidle 函数 

void MSSP2Cidle()
{
    while ((SSPSTAT & 0x04) || (SSPCON2 & 0x1F));
}
  • 功能 ：检查I2C模块是否空闲，避免总线冲突。
  • 具体操作 ：
    • (SSPSTAT & 0x04) ：检查主设备是否正在传输数据。
    • (SSPCON2 & 0x1F) ：检查确认、接收使能、停止、重复起始或起始是否激活。如果任何一个测试结果为真，则PIC必须等待，直到这些条件都不满足（即I2C模块空闲）。

7.3 MSSP2CWrite 函数 

void MSSP2CWrite(unsigned char data)
{
    MSSP2Cidle();
    SEND: SSPBUF=data;
    MSSP2Cidle();
    while(SSPCON2bits.ACKSTAT)
    {
        SSPCON2bits.RSEN=1;
        MSSP2Cwait();
        goto SEND;
    }
}
  • 功能 ：向从设备写入一个字节的数据。
  • 具体操作 ：
    1. MSSP2Cidle() ：确保I2C模块空闲。
    2. SSPBUF=data ：将数据加载到 SSPBUF 寄存器，准备发送给从设备。
    3. MSSP2Cidle() ：再次确保I2C模块空闲。
    4. while(SSPCON2bits.ACKSTAT) ：检查从设备是否发送了确认信号。如果 ACKSTAT 位为逻辑‘1’，表示未收到确认信号，执行以下操作：
      • SSPCON2bits.RSEN = 1 ：使能PIC重新发送相同的数据。
      • MSSP2Cwait() ：调用 MSSP2Cwait 子函数，使PIC等待操作完成。
      • goto SEND ：跳转到 SEND 标签，再次尝试发送数据。

7.4 MSSP2Cread 函数 

unsigned char MSSP2Cread()
{
    SSPCON2bits.RCEN=1;
    while(!BF);
    SSPCON2bits.RCEN=0;
    return SSPBUF;
}
  • 功能 ：读取I2C总线上的数据。
  • 具体操作 ：
    1. SSPCON2bits.RCEN = 1 ：使能MSSP接收I2C总线上的数据。
    2. while(!BF) ：等待 SSPSTAT 寄存器的 BF （缓冲区满）标志变为逻辑‘1’，表示 SSPBUF 寄存器已充满从设备发送的数据。
    3. SSPCON2bits.RCEN = 0 ：关闭MSSP的接收功能。
    4. return SSPBUF ：返回 SSPBUF 寄存器中的数据。

8. 实际应用流程

8.1 写入数据到EEPROM

  1. 初始化 ：调用 MSSP2CInit 函数初始化MSSP模块。
  2. 设置地址 ：设置要写入的地址的高字节和低字节，例如 adhigh = 0x01 ， adlow 通过循环从0递增到7。
  3. 写入数据 ：调用 writeToEEPROM 函数，将数据写入指定地址。具体步骤如下：
    • 调用 MSSP2Cidle 函数确保I2C模块空闲。
    • 调用 MSSP2CStart 函数发送起始位。
    • 调用 MSSP2CWrite(0xA0) 发送控制字节。
    • 调用 MSSP2CWrite(adhigh) 和 MSSP2CWrite(adlow) 发送地址的高字节和低字节。
    • 调用 MSSP2CWrite(edata) 发送要写入的数据。
    • 调用 MSSP2CStop 函数发送停止位。

8.2 从EEPROM读取数据

  1. 初始化 ：调用 MSSP2CInit 函数初始化MSSP模块。
  2. 设置地址 ：设置要读取的地址的高字节和低字节。
  3. 读取数据 ：调用 readFromEEPROM 函数，从指定地址读取数据。具体步骤如下：
    • 调用 MSSP2Cidle 函数确保I2C模块空闲。
    • 调用 MSSP2CStart 函数发送起始位。
    • 调用 MSSP2CWrite(0XA0) 发送控制字节。
    • 调用 MSSP2CWrite(adhigh) 和 MSSP2CWrite(adlow) 发送地址的高字节和低字节。
    • 调用 MSSP2CRestart 函数发送重启位。
    • 调用 MSSP2CWrite(0xA1) 发送控制字节，指示要读取数据。
    • 调用 MSSP2CreadNAck 函数读取数据并发送非确认信号。
    • 调用 MSSP2CStop 函数发送停止位。

8.3 读取TC74温度传感器的温度

  1. 初始化 ：调用 MSSP2CInit 函数初始化MSSP模块。
  2. 发送命令 ：按照以下步骤发送命令读取温度：
    • 调用 MSSP2Cidle 函数确保I2C模块空闲。
    • 调用 MSSP2CStart 函数发送起始位。
    • 调用 MSSP2CWrite(0x9A) 发送TC74的地址，指示要写入数据。
    • 调用 MSSP2CWrite(0x00) 发送命令字节。
    • 调用 MSSP2CRestart 函数发送重启位。
    • 调用 MSSP2CWrite(0x9B) 发送地址，指示要读取数据。
    • 调用 MSSP2CreadNAck 函数读取温度数据。
    • 调用 MSSP2CStop 函数发送停止位。
  3. 处理温度数据 ：根据温度数据的正负情况，调用 displayTemp 或 displayTempNeg 函数在LCD上显示温度。

9. 总结

通过上述内容，我们详细介绍了I2C通信协议的原理、24LC256 EEPROM和TC74温度传感器的使用方法，以及如何使用代码实现与它们的通信。在实际应用中，我们可以按照以下步骤进行操作：
1. 了解I2C协议的基本原理和特点，掌握其通信方式和数据传输规则。
2. 熟悉24LC256 EEPROM和TC74温度传感器的引脚使用和通信流程。
3. 根据实际需求编写代码，实现数据的读写和温度的监测。
4. 对代码进行详细分析和调试，确保程序的正确性和稳定性。

通过合理运用I2C协议和相关设备，我们可以实现高效、稳定的数据通信和设备控制。以下是整个操作流程的mermaid流程图： 

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(初始化系统):::process --> B(初始化MSSP模块):::process
    B --> C{选择操作}:::process
    C -->|写入EEPROM| D(设置地址和数据):::process
    D --> E(写入数据到EEPROM):::process
    C -->|读取EEPROM| F(设置地址):::process
    F --> G(从EEPROM读取数据):::process
    C -->|读取TC74温度| H(发送读取温度命令):::process
    H --> I(读取温度数据):::process
    I --> J(处理并显示温度):::process
    E --> K(结束操作):::process
    G --> K
    J --> K

在实际开发中，我们可以根据具体需求对代码进行扩展和优化，例如增加错误处理机制、提高数据传输的效率等。同时，要注意I2C总线的电气特性和通信规范，避免出现通信故障。

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