自学AVR单片机二十三（EEPROM存储器AT24C02）

一、电路实现
       AT24C02是一种电可擦除（EEPROM）的数据存储器件，它存储的数据掉电后可保存10年，是目前应用非常广泛的一种数据存储器。它采用I2C总线通信协议。下面我们先来简单了解一下标准的I2C总线协议。
      I2C总线是Philips公司推出的一种用于IC器件之间连接的2线制串行扩展总线，它通过2根信号线（串行数据线SDA、串行时钟线SCL）在连接到总线上的器件之间传送数据，所有连接在总线上的I2C器件都可以工作于发送方式或接收方式。
      I2C总线的SDA和SCL是双向I/O线，必须通过上拉电阻接到正电源，当总线空闲时，2线都是“高”电平。所有连接在I2C总线上的器件引脚必须是开漏或集电极开路输出，即具有“线与”功能。所有挂在总线上器件的I2C引脚接口也应该是双向的。
      I2C总线上允许连接多个器件，支持多主机通信。但为了保证数据可靠的传输，任一时刻总线只能由一台主机控制，其他设备此时均表现为从机。

     AVR系列单片机内部都集成了TWI串行总线接口，该接口是对I2C总线的继承和发展，它不但全面兼容I2C总线的特点，而且在操作和使用上比I2C总线更为灵活，功能更加强大。
     AVR的TWI是一个面向字节和基于中断的硬件接口，它不仅弥补了许多型号单片机只能依靠时序模拟完成I2C总线工作的缺陷，同时也有这更好的实施性和代码效率，给系统设计人员提供了极大方便。

     关于I2C总线和AVR单片机的TWI总线的更详细内容请参阅相关资料。

      下面我们采用AVR单片机的TWI接口实现基于I2C总线的EEPROM存储器AT24C02的操作。
      下图为本实例中用到的电路图：

其中PD0、PD1分别是ATmega64的TWI接口的SCL和SDA引脚。

      现在我们简单了解一下TWI接口知识：
      

      AVR的TWI模块由总线接口单元、比特率发生器、地址匹配单元和控制单元等模块构成。

● SDA和SCL引脚

SDA和SCL是AVR单片机TWI接口的引脚。引脚的输出驱动器包含一个波形斜率限制器，以满足TWI规范；引脚的输入部分包含尖峰抑制但愿，以去除小于50ns的毛刺。

● 波特率发生器

TWI工作在主控器模式时，又该控制单元产生TWI时钟信号，并驱动时钟线SCL，

● 总线接口单元

这个单元包括：数据和地址移位寄存器、起始、停止信号控制和总线仲裁判定的硬件电路。

● 地址匹配单元

地址匹配单元将检测总线上接收到的地址是否与TWAR寄存器中的7位地址相匹配。如果匹配成功，将通知控制单元转入适当的操作状态。TWI可以响应，也可以不响应主控器对其的寻址访问。

● 控制单元

控制单元监听TWI总线，并根据TWI控制寄存器的设置作出相应的响应。

        使用AVR单片机的TWI接口最主要和最复杂的部分是设置和判断相关寄存器的内容，关于寄存器的配置请仔细阅读ATmega64的数据手册。

         在本实例中我们采用查询法来实现对AT24C02的读写操作，具体控制流程如下：

写操作的具体步骤是：

1）TWI寄存器配置；

2）发送START信号；

3）轮询等待TWINT置位，TWINT置位表示START信号已发出；

4）发送写器件地址，到TWDR寄存器，清零TWINT标志位，等待TWINT再次置位，再次置位表示数据已发送完成；

5）读取总线状态是否是器件地址发送完成并收到ACK；

6）发送数据地址，并清零TWINT标志位，然后等待TWINT再次置位，再次置位表示数据已发送完成；

7）读取总线状态是否是器件地址发送完成并收到ACK；

8）发送数据字节，并清零TWINT标志位，然后等待TWINT再次置位，再次置位表示数据已发送完成；

9）读取总线状态是否是器件地址发送完成并收到ACK；

10）数据写操作结束，发送终止信号。

读操作的具体步骤是：

1）TWI寄存器配置；

2）发送START信号；

3）轮询等待TWINT置位，TWINT置位表示START信号已发出；

4）发送写器件地址，到TWDR寄存器，清零TWINT标志位，等待TWINT再次置位，再次置位表示数据已发送完成；

5）读取总线状态是否是器件地址发送完成并收到ACK；

6）发送数据地址，并清零TWINT标志位，然后等待TWINT再次置位，再次置位表示数据已发送完成；

7）读取总线状态是否是器件地址发送完成并收到ACK；

8）发送重复开始（RESTART）信号，并清零TWINT标志位，然后等待TWINT再次置位，再次置位表示发送重复开始信号完成；

9）发送读数据信号，并等待发送完成ACK，判断总线状态是否正确；

10）读取TWDR的值，并根据是否读取完最后一个字节，发送ACK或NACK；

11）数据读取完毕，发送终止信号。

二、程序设计

     本实例采用查询法实现对AT24C02的读写操作，程序中先进行单字节的读写，并利用LED灯指示读出的数据是否正确，然后实现一个多字节的读写，同样利用LED灯指示读出的数据是否正确。完整代码如下：

1. 
   
2. #include <avr/io.h>        //io端口寄存器配置文件，必须包含
   
3. #include <util/delay.h>
   
4. //变量声明
   
5. #define EEPROM_BUS_ADDRESS 0xa0         //器件地址
   
6. //主机发送模式时各状态字的后续动作
   
7. #define TW_START            0x08        // 开始信号已发出
   
8. #define TW_REP_START        0x10        //重复开始信号已发出
   
9. #define TW_MT_SLA_ACK       0x18        // 写字节已发出并受到ACK信号  
   
10. #define TW_MT_SLA_NACK      0x20        //写字节已发出并受到NACK信号  
    
11. #define TW_MT_DATA_ACK      0x28        //数据已发出并受到ACK 信号
    
12. #define TW_MT_DATA_NACK     0x30        //数据已发出并受到NACK 信号
    
13. #define TW_MT_ARB_LOST      0x38        //丢失总线控制权
    
14. //主机接收模式时各状态字的后续动作
    
15. #define TW_MR_ARB_LOST      0x38        // 丢失总线控制权，未收到应答信号
    
16. #define TW_MR_SLA_ACK       0x40        //读命令已发出并受到ACK
    
17. #define TW_MR_SLA_NACK      0x48        //读命令已发出并受到NACK
    
18. #define TW_MR_DATA_ACK      0x50        //数据已收到，ACK已发出
    
19. #define TW_MR_DATA_NACK     0x58        //数据已收到，NACK已发出
    
20. //函数声明
    
21. void Delayus(unsigned int lus);         //us延时函数
    
22. void Delayms(unsigned int lms);        //ms延时函数
    
23. void I2C_Init(void);                    //I2C端口初始化
    
24. unsigned char I2C_Start(void);         //发送起始信号
    
25. void I2C_Stop(void);                    //发送结束信号
    
26. unsigned char I2C_WriteByte(unsigned char dat);  //写一个字节
    
27. unsigned char I2C_ReadByte(unsigned char ack);   //读一个字节
    
28. unsigned char EEPROM_ReadByte(unsigned int add); //从固定地址读一字节
    
29. void EEPROM_WriteByte(unsigned int add,unsigned char data);  //向固定地址写一字节
    
30. void EEPROM_ReadPage(unsigned int add,unsigned char n,unsigned char *data);
    
31.                                                     //多字节读操作
    
32. void EEPROM_WritePage(unsigned int add,unsigned char n,unsigned char *data);  
    
33.                                                       //多字节写操作
    
34. int main(void)            //GCC中main文件必须为返回整形值的函数，没有参数
    
35. {
    
36. unsigned char i;
    
37. unsigned char Read_Buff[6] = {0};
    
38. unsigned char Write_Buff[6] = {0xa1,0xa2,0xa3,0xa4,0xa5,0xa6};
    
39. 
    
40. PORTB = 0xff;     
    
41. DDRB = 0xFF;       //端口PortB设为输出口，通过相应位LED的变化指示程序运行结果
    
42. I2C_Init();        //I2C端口初始化
    
43. //PORTB |= 0xfe;
    
44. EEPROM_WriteByte(0x04,0x5a);  //向固定地址写一字节,写入数据0x5a
    
45. i = EEPROM_ReadByte(0x04); //从固定地址读一字节
    
46. 
    
47. if(i == 0x5a)
    
48. {
    
49.   PORTB = 0xfe;     //读出的数据正确，则LED0点亮
    
50. }
    
51. else
    
52. {
    
53.   PORTB = 0xfd;       //读出的数据不正确，则LED1点亮
    
54. }
    
55. 
    
56. for(i = 0;i < 100;i++)
    
57. {
    
58.   Delayms(20);
    
59. }
    
60. 
    
61. //PORTB |= 0x02;
    
62. EEPROM_WritePage(0x00,6,Write_Buff);  //多字节写操作
    
63.                                                       
    
64. EEPROM_ReadPage(0x00,6,Read_Buff);    //多字节读操作
    
65.                                                    
    
66. if(Read_Buff[0] == 0xa1)
    
67. {
    
68.   PORTB = 0x7f;     //读出的数据正确，则LED7点亮
    
69. }
    
70. Delayms(500);
    
71. if(Read_Buff[1] == 0xa2)
    
72. {
    
73.   PORTB = 0xbf;     //读出的数据正确，则LED6点亮
    
74. }
    
75. Delayms(500);
    
76. if(Read_Buff[2] == 0xa3)
    
77. {
    
78.   PORTB = 0xdf;     //读出的数据正确，则LED5点亮
    
79. }
    
80. Delayms(500);
    
81. if(Read_Buff[3] == 0xa4)
    
82. {
    
83.   PORTB = 0xef;     //读出的数据正确，则LED4点亮
    
84. }
    
85. Delayms(500);
    
86. if(Read_Buff[4] == 0xa5)
    
87. {
    
88.   PORTB = 0xf7;     //读出的数据正确，则LED3点亮
    
89. }
    
90. Delayms(500);
    
91. if(Read_Buff[5] == 0xa6)
    
92. {
    
93.   PORTB = 0xfb;     //读出的数据正确，则LED2点亮
    
94. }
    
95. Delayms(500);
    
96. 
    
97. while(1)
    
98. {
    
99.   
    
100.   
     
101. }
     
102. }
     
103. //I2C初始化函数
     
104. void I2C_Init(void)
     
105. {
     
106. TWSR |= (1 << TWPS1);    //16分频
     
107. TWBR = 20;    //波特率
     
108. TWAR = 0x00;    //被控器地址寄存器
     
109. TWCR = (1 << TWEA) | (1 << TWEN);  //允许ACK，使能I2C，PC0、PC1、转换成SCL、SDA引脚
     
110. }
     
111. //I2C起始条件
     
112. unsigned char I2C_Start(void)
     
113. {
     
114. TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA) | (1 << TWEN);   //清零中断标志位，发送START信号
     
115. while(!(TWCR & (1 << TWINT)));         //检测中断标志，为1表明完成发送开始信号
     
116. 
     
117. return 1;
     
118. }
     
119. //I2C结束条件
     
120. void I2C_Stop(void)
     
121. {
     
122. TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTO) | (1 << TWEN);   //清零中断标志位，发送START信号
     
123. }
     
124. //向I2C写一个字节
     
125. unsigned char I2C_WriteByte(unsigned char dat)
     
126. {
     
127. unsigned char ack;
     
128. 
     
129. TWDR = dat;                  //发送数据写入I2C数据寄存器
     
130. TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);        //清零中断标志位，开始发送
     
131. while(!(TWCR & (1 << TWINT)));         //等待发送完成
     
132. 
     
133. if((TWSR &0xf8) != TW_MT_SLA_ACK)     //读取ACK信号
     
134. {
     
135.   ack = 0;            //没有返回ACK
     
136. }
     
137. else
     
138. {
     
139.   ack = 1;        //返回ACK  
     
140. }
     
141. return ack;
     
142. }
     
143. //从I2C读一个字节 ACK时，应答，NACK时，不应答
     
144. unsigned char I2C_ReadByte(unsigned char ack)
     
145. {
     
146. if (ack)
     
147.        TWCR = (1<<TWINT) | (1<<TWEA) | (1 << TWEN);   // 读数据，并回送ACK
     
148.     else
     
149.        TWCR = (1<<TWINT) | (1 << TWEN);             //读数据，并回送NACK
     
150.     while (!(TWCR & (1 << TWINT)));    //等待操作完成
     
151. 
     
152. return (TWDR);     //返回读到的数据
     
153. }
     
154. //从固定地址读一字节
     
155. unsigned char EEPROM_ReadByte(unsigned int add)
     
156. {
     
157. unsigned char data;
     
158. 
     
159. I2C_Start();      // 发起始信号
     
160.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS);     
     
161.                         //发器件地址和页地址高三位
     
162. I2C_WriteByte(add);     // 发页地址低4位和页地址偏移量
     
163. 
     
164.     I2C_Start();         // 发起始信号
     
165.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS | 0x01); // 发从机读寻址字节   
     
166.     data = I2C_ReadByte(0);         //读数据，并发送NACK
     
167.     I2C_Stop();      // 发停止信号
     
168. 
     
169. return data;
     
170. }
     
171. //向固定地址写一字节
     
172. void EEPROM_WriteByte(unsigned int add,unsigned char data)
     
173. {PORTB |= 0xfe;
     
174. I2C_Start();      // 发起始信号
     
175. PORTB |= 0xfe;
     
176.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS);     
     
177.                                      // 发器件地址和页地址高三位
     
178. I2C_WriteByte(add);     // 发页地址低4位和页地址偏移量
     
179.     I2C_WriteByte(data);     // 写一个字节数据到24C16
     
180.     I2C_Stop();      // 发停止信号
     
181.     Delayms(10);   // 等待10ms，保证24C16内部写操作完成再进行新操作
     
182. }
     
183.   
     
184. //多字节读操作
     
185. void EEPROM_ReadPage(unsigned int add,unsigned char n,unsigned char *data)
     
186. {
     
187. unsigned char i;
     
188. 
     
189. I2C_Start();      // 发起始信号
     
190.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS);     
     
191.                         //发器件地址和页地址高三位
     
192. I2C_WriteByte(add);     // 发页地址低4位和页地址偏移量
     
193. 
     
194.     I2C_Start();         // 发起始信号
     
195.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS | 0x01); // 发从机读寻址字节   
     
196.     for(i = 0;i <= n-1;i++)              //读你n-1个数据
     
197. {
     
198.   *data = I2C_ReadByte(1);         //读 数据，并发送ACK
     
199.   data++;
     
200. }
     
201. *data = I2C_ReadByte(0);         //读 最后一个数据，并发送NACK
     
202.     I2C_Stop();      // 发停止信号
     
203. 
     
204. }
     
205. //多字节写操作
     
206. void EEPROM_WritePage(unsigned int add,unsigned char n,unsigned char *data)  
     
207. {
     
208. unsigned char i;
     
209. 
     
210. I2C_Start();      // 发起始信号
     
211.     I2C_WriteByte(EEPROM_BUS_ADDRESS);     
     
212.                                      // 发器件地址和页地址高三位
     
213. I2C_WriteByte(add);     // 发页地址低4位和页地址偏移量
     
214.     for(i = 0;i <= n-1;i++)
     
215. {
     
216.   I2C_WriteByte(*data++);     // 写一个字节数据到24C16  
     
217.     }
     
218. I2C_Stop();      // 发停止信号
     
219.     Delayms(10);   // 等待10ms，保证24C16内部写操作完成再进行新操作
     
220. }
     
221.   
     
222. //us级别的延时函数
     
223. void Delayus(unsigned int lus)
     
224. {
     
225. while(lus--)
     
226. {
     
227.   _delay_loop_2(4);      //_delay_loop_2(1)是延时4个时钟周期，参数为3则延时12
     
228.              //个时钟周期，本实验用12M晶体，则12个时钟周期为12/12=1us
     
229.     }
     
230. }
     
231. //ms级别的延时函数
     
232. void Delayms(unsigned int lms)
     
233. {
     
234. while(lms--)
     
235. {
     
236.   Delayus(1000);        //延时1ms
     
237. }
     
238. }
     
239. 
     

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