1. I2C简介

I2C（Inter-Integrated Circuit：内部集成电路）总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。（来源于百度百科）

总结其主要特点如下：

只需要两条总线：串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
每个连接到总线的设备都有一个独立地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。I2C总线支持最大从机数理论上为127个（7位寻址，112个非保留地址；10位寻址，1008个非保留地址）。
两条线都是开漏输出，因此总线通过上拉电阻接到单元。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。通常在标准模式下，使用10K上拉电阻；快速模式下使用2K上拉电阻（速度与电阻成反比）。
多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式（仲裁：由多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线并使传输不被破坏的过程）决定由哪个设备占用总线。
具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s，快速模式为 400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s（大多 I2C 设备不支持高速模式），超快速模式，5Mbit/s。
总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。

图（1）I2C通讯设备常用的连接方式

1.1 I2C数据传输协议与格式

I2C的协议定义了通信的起始、停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节

1.1.1 起始信号

SCL（串行时钟线）为高电平期间，SDA（串行数据线)由高电平向低电平的下降沿表示为起始信号。起始信号是由主机发出的，在起始信号产生后，总线处于被占用状态。如下图所示：

图（2）I2C通讯起始信号

1.1.2 数据有效性规定

I2C总线进行数据传输时，SCL（串行时钟线）为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在SCL（串行时钟线）上的信号为低电平期间，数据线上的高低电平才允许变化，如下图所示：

图（3）I2C信号数据有效性示意图

1.1.3 应答响应

每当发送器件传输完一个字节（八位二进制）的数据后，必须紧跟一个校验位，此校验位是接收端控制SDA（串行数据线)来实现的，提醒发送端数据接收完成，可以继续进行下一字节传输。响应包括了 “ 应答（ACK：Acknowledgement）” 和 “ 非应答（NACK：Negative ACKnowledgment）”两种信号。

无论主从机，当作为数据接收端时，接收到一个字节数据或地址后，如果希望对方继续发送下一个字节数据，则需要向对方发送“应答（ACK）”信号；

反之，如果希望对方结束数据的传输，，则要向对方发送 “ 非应答（ACK）” 信号。

其中 “ 应答（ACK）” 信号为定义为发送数据端释放SDA（串行数据线)，此时由于外部上拉电阻作用上拉为高电平。数据接收端再通过拉底SDA（串行数据线)，即将SDA“置0”，发送端接收到接收端ACK应答信号后，则可继续传输数据。

图（4）I2C通讯ACK信号

“ 非应答（ACK）”信号定义为：

图（5）I2C通讯NACK信号

1.1.4 停止信号

SCL（串行时钟线）为高电平期间，SDA（串行数据线)由低电平向高电平的变化表示停止信号。如下图所示：

图（6）I2C通讯停止信号

1.2 I2C的数据传输与数据帧

1.2.1 I2C数据传输的基本格式

I2C数据传输必须从开始信号开始，传输数据的每个字节必须保证长度是八位，且先传送最高位，每一个传送的自己后必须跟随一个应答位，即一帧有9位。

I2C数据帧有三种基本格式：

1.2.2 发送一帧数据

图（7）I2C通讯发送数据格式

将前面的各个数据传输格式按此数据帧组合，就可以得到I2C发送一帧数据的时序图，如假设向地址为1010101的从机写入大写字母V（对应ASCII码：10101100）时，其对应时序图如下：

图（8）I2C通讯给指定地址从机发送一字节数据

1.2.3 接收一帧数据

图（8）I2C通讯接收数据格式

需要有所注意的是，当读写控制位置1时，相当于把I2C总线控制权交予从机，因此在收到从机发送来的数据后，应是注意发送应答给从机，从机在收到ACK信号后，继续传输下一字节。因此当传输最后一个字节时，主机发送应答或是非应答都是可行的。如假设向地址为1010101的从机读出大写字母V（对应ASCII码：10101100）时，其对应时序图如下：

图（9）I2C通讯接收指定地址从机一字节的数据

1.2.4 复合格式

图（10）I2C通讯复合格式

当我们使用I2C通讯时，复合格式即先发送再接收数据帧，其本质任可理解为接收数据，时序图略。

1.3 I2C的硬件电路

1.3.1 漏极开路输出OD输出（Open Drain）

漏极开路输出，即OD输出（Open Drain）其主要示意图如下：

图（11）开漏输出示意图

由上图可知，内部电路中控制场效应关的导通与关断，当导通时，输出电路直接与地相连，则直接输出低电平。而当内部电路控制关断时，场效应管成高阻态，由外部上拉电阻输出高电平，反过来说，若没有外部上拉电阻，开漏输出则没有输出高电平能力。

图（11）左为场效应管关断时，右为场效应管导通时

1.3.2 为什么选择漏极开漏输出？

以常见单片机的推挽输出和开漏输出作比较

图（12）推挽输出电路示意图

可以知道，推挽输出电路无需上拉电阻就有输出高低电平的能力，当分析如下情况，有两个主机，且采用推挽输出时，一个主机输出高电平，而一个输出低电平时，直接构成短路。如下图所示：

除此之外，开漏输出还能做到 “ 线与 ” 。（关于 “ 线与 ” 内容可以查找更详细的资料）

2. AT24C02简介

2.1.1 2.1.1 AT24C02硬件特点

宽范围的工作电压1.8V~5.5V
存储器组织结构

- 24C02, 256 X 8 (2K bits)
        - 24C04, 512 X 8 (4K bits)
        - 24C08, 1024 X 8 (8K bits)
        - 24C16, 2048 X 8 (16K bits)
        - 24C32, 4096 X 8 (32K bits)
        - 24C64, 8192 X 8 (64K bits)

两线串行接口，完全兼容I2C总线
I2C时钟频率位1MHz（5V），400kHz(1.8V,2.5V,2.7V)
内部写周期（最大5ms）

2.1.2 AT24C02引脚排列与说明

图（13）AT24C02引脚排列与说

2.1.2 AT24C02的电气特性

这里尤为注意写周期最大值

图（14）AT24C02的交流电气特性

2.1.3 AT24C02的器件地址

图（15）AT24CXX的器件地址

由以上可知AT24C02的器件地址高四位固定为1010，低三位可自定义。

2.2 AT24C02写操作

2.2.1 字节写

字节写即写入一个字节，其格式如下：

图（16）字节写

2.2.2 页写

在字节写基础上，不发送停止信号，而是接收到AT24C02应答后，继续发送7个数据，且没接收到一个数据，字地址的低3位，自动加1，值得注意的是：当写入数据总数超过8个，字地址将回转到首地址，先前写的字节将会被覆盖，其格式如下：

图（17）页写

2.3 AT24C02读操作

2.3.1 当前地址读

AT24C02内部带有地址计数器保存上一次访问时最后一个地址加1的值。只要芯片有电，该地址就一直保存。其格式如下：

图（18）当前地址读

2.3.2 随机地址读

随机读需要先写一个目标地址，发送完后，ATC24C02发送ACK信号，然后再重复一个开始信号，然后主机发送器件地址，再接收目标地址的数据，其格式类比于前文的复合格式。格式如下：

图（19）随机地址读

此外还有顺序读，这里不再描述。

3. 51单片机与AT24C02的I2C通讯

3.1 准备工作

首先要知道AT24C02的器件地址，与SCL、SDA和51单片机的连接方式，我使用的51单片机连接方式如下：

图（20）ATC24C02连线图

由上图与前文ATC24C02器件地址可知，高四位固定为1010，而低三位这里对应E0，E1，E2为000，因此该器件地址为1010000。其SCL，SDA连接再51单片机的P21，P20引脚。

3.2 代码实现与讲解

3.2.1 编写I2C.c文件

首先定义SCL与SDA引脚，可根据实际连线修改，代码如下：

#include <REGX52.h>sbit I2C_SCL = P2^1;
sbit I2C_SDA = P2^0;

根据I2C通讯的基本格式，我们可以拆分成6个独立的函数。

I2C_Start()对应I2C_开始信号

/*** @brief I2C开始*  @param 无   *   @retval    无* @notes  I2C为推挽输出，因此将引脚置1实际上是关断mos管，由上拉电阻拉高至高电平*         置0时对应，mos管导通，将输出拉底*/
void I2C_Start(void)
{I2C_SDA = 1;I2C_SCL = 1;//在开始之前，确保SDA、SCL为高电平状态，即空闲状态I2C_SDA = 0;//在SCL高电平期间，SDA由高电平置0表示I2C起始信号I2C_SCL = 0;//将SCL拉底，方便接下来的数据传输
}

I2C_SendByte()对应I2C发送一字节数据

/*** @brief I2C发送一个字节*  @param Byte 要发送的字节 *   @retval    无* @notes  */
void I2C_SendByte(unsigned char Byte)
{unsigned char i = 0;for (i=0;i<8;i++)         //循环8次，发送8位数据{I2C_SDA = Byte&(0x80>>i); //I2C数据传输由高位开始，0x80对应1000 0000//相与之后只保留最高位，右移i位//以此方法从高到低取出每一位I2C_SCL = 1;I2C_SCL = 0;}
}

I2C_ReceiveByte()对应I2C接收一字节数据

/*** @brief I2C接收一个字节*  @param 无  *    @retval    Byte 返回接收的字节* @notes  */
unsigned char I2C_ReceiveByte(void)
{unsigned char i ,Byte = 0x00;I2C_SDA = 1;                //将SDA控制权交于从机for(i=0;i<8;i++)            //循环8次，读取八位数据{            I2C_SCL = 1;if (I2C_SDA)            //如果SDA线上是高电平{ Byte |= (0x80>>i);  //0x80对应1000 0000，// |= 将数据存入Byte中}I2C_SCL = 0;}return Byte;
}

I2C_SendAck()对应I2C发送ACK应答信号

/*** @brief I2C发送应答*    @param AckBit 应答位 0为应答，1为不应达*   @retval    无* @notes  */
void I2C_SendAck(unsigned char AckBit)
{I2C_SDA = AckBit; I2C_SCL = 1;I2C_SCL = 0;
}

I2C_ReceiveAck（)对应接收应答

/*** @brief I2C接收应答*    @param 无*  @retval    Ackbit 接收应答位* @notes  */
unsigned char I2C_ReceiveAck(void)
{unsigned char Ackbit;I2C_SDA = 1;        I2C_SCL = 1;       //先将SDA，SCL释放 Ackbit = I2C_SDA;  //在SCL高电平期间,SDA为0则表示接收到了从机应答I2C_SCL = 0;return Ackbit;
}

I2C_Stop()对应I2C停止信号

/*** @brief I2C停止*  @param 无 * @retval    无* @notes  */
void I2C_Stop(void)
{I2C_SDA = 0;//保证SDA为0I2C_SCL = 1;I2C_SDA = 1;//SCL高电平期间，将SDA从0置1为I2C停止信号，且结束后， //SDA、SCL均为高电平，表示为空闲状态
}

3.2.2 编写I2C.h文件

包含I2C.c各函数方便调用

#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__
#include "REGX51.H"
void I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
void I2C_SendByte(unsigned char Byte);
unsigned char I2C_GetByte(void);
void I2C_SendAck(unsigned char AckBit);
unsigned char I2C_GetAck(void);#endif

3.2.3 编写AT24C02.c文件

首先包含I2C.h头文件与定义AT24C02器件地址

#include "I2C.h"
#define AT24C02_ADDRESS 0xa0 //0xa0对应1010 000 0，最后一位置0，为写模式

AT24C02_WriteByte()AT24C02写一字节数据

/*** @brief AT24C02写一字节数据*  @param WordAddress 写入字节的地址* @param    Data 写入的数据   *  @retval    无* @notes  */
void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Data)
{I2C_Start();                   //I2C开始I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS);  //找到ATAT24C02的器件地址I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答  I2C_SendByte(WordAddress);     //写入数据的地址I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答    I2C_SendByte(Data);            //写入数据I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答    I2C_Stop();                    //I2C停止
}

ATC2402_ReadByte()读取一字节

/*** @brief AT24C02读取一字节数据* @param WordAddress  读取字节的8位地址 *    @retval    Data 读取的字节* @notes  */
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress)
{unsigned char Data;I2C_Start();                    //I2C开始I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS);    //找到ATAT24C02的器件地址I2C_ReceiveAck();             //接收AT24C02应答  I2C_SendByte(WordAddress);       //写入数据的地址I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答I2C_Start();                       //I2C开始        I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS | 0x01);//7位器件地址，第八位置1，表示读模式I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答   Data = I2C_ReceiveByte();          //读取AT24C02的数据I2C_SendAck(1);                 //不发送应答，发送与不发生都可以I2C_Stop();                       //I2C停止return Data;
}

3.2.4 编写AT24C02.h文件

#ifndef ___AT24C02_H__
#define __AT24C02_H__
void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Data);
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress);
#endif

4. 代码验证

在main.c中编写程序，通过LCD1602验证是否能读取出存入AT24C02的数据，此部分可以自行修改，这里只作为验证。

#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"
#include "AT24C02.h"
unsigned char Data;
void main()
{LCD_Init();AT24C02_WriteByte(1,66);Data = AT24C02_ReadByte(1);LCD_ShowNum(2,1,Data,3);//在LCD第1行，第1列显示显示读出的数据，长度为3while(1){}
}

实验现象：

图（21）实验现象

程序本应该显示的是写入的66，但是却显示错误，这里就需要回到AT24C02的电气特性了，其规定了写周期最大为5ms，而写入之后马上读取，可以理解为，数据还没有真正存进AT24C02中，所以要加入延时环节，这里延时5ms后才读取。

修改main.c程序如下：

#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"
#include "AT24C02.h"
#include "Delay.h"
unsigned char Data;
void main()
{LCD_Init();AT24C02_WriteByte(1,66);Delayms(5);Data = AT24C02_ReadByte(1);LCD_ShowNum(1,1,Data,3);while(1){}
}