实验七 EEPROM读写—硬件IIC通讯

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一.实验目标

1.通过编程使用STM32的硬件IIC,控制EEPROM读写，掌握EEPROM的读写方法；

2.通过本实验掌握STM32的硬件IIC控制外设的基本概念，掌握IIC控制的基本方法。

二.知识储备及设计思路

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

下面我们分别对I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。

\1. I2C 物理层

I2C 通讯设备之间的常用连接方式见图 6-1。

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图 6-1 常见的I2C 通讯系统

它的物理层有如下特点：

(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C 通讯总线中，可连接多个I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

(2) 一个I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

(4) 总线通过上拉电阻接到电源。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。

(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

(6) 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 ，高速模下可达1Mbit/s，但目前大多I2C 设备尚不支持高速模式。

(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

2． 协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地

址广播等环节。

(1). I2C 基本读写过程

先看看I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 6-2、图 6-3 及图 6-4。

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图 6-2 主机写数据到从机

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图 6-3 主机由从机中读数据

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图 6-4 I2C 通讯复合格式

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(2). 通讯的起始和停止信号

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 6-5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

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图 6-5 起始和停止信号

(3). 数据有效性

I2C 使用SDA 信号线来传输数据，使用SCL 信号线进行数据同步。见图 6-6。SDA数据线在SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL 为高电平的时候SDA 表示的数据有效，即此时的SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA 的数据无效，一般在这个时候SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

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图 6-6 数据有效性

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

(4). 地址及数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C 协议规定设备地址可以是7 位或10 位，实际中7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第8 位或第11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 6-7。

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图 6-7 设备地址(7 位)及数据传输方向

读数据方向时，主机会释放对SDA 信号线的控制，由从机控制SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA 由主机控制，从机接收信号。

(5). 响应

I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 6-8。

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图 6-8 响应与非响应信号

传输时主机产生时钟，在第9 个时钟时，数据发送端会释放SDA 的控制权，由数据收端控制SDA，若SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

三.引脚说明与硬件连接

图6.9为EEPROM芯片的硬件连接图。表6.1为其引脚说明。EEPROM存储数据掉电不丢失，EEPROM通过STM32F4的I2C引脚与之通信，实现数据的读写。图1.3.9为EEPROM芯片的硬件连接图。表1.3.8为其引脚说明。EEPROM存储数据掉电不丢失，EEPROM通过STM32F4的I2C引脚与之通信，实现数据的读写。

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图6.9 EEPROM芯片硬件连接图

表6.1 EEPROM芯片引脚说明

设备名 引脚号
I2C2_SCL PF0
I2C2_SDA PF1

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图 6-13 EEPROM 管脚说明(摘自《AT24C02》规格书)

本实验板中的EEPROM芯片(型号：AT24C02)的SCL 及SDA 引脚连接到了STM32 对应的I2C 引脚中，结合上拉电阻，构成了I2C 通讯总线，它们通过I2C 总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有7 位，其中高4 位固定为：1010 b，低3 位则由A0/A1/A2信号线的电平决定，见图 6-14，图中的R/W是读写方向位，与地址无关。

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图 6-14 EEPROM 设备地址(摘自《AT24C02》规格书)

按照我们此处的连接，A0/A1/A2 均为0，所以EEPROM的7 位设备地址是：1010000b ，即0x50。由于I2C 通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个8 位数，且当R/W位为0 时，表示写方向，所以加上7 位地址，其值为“0xA0”，常称该值为I2C 设备的“写地址”；当R/W位为1 时，表示读方向，加上7 位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。

EEPROM芯片中还有一个WP 引脚，具有写保护功能，当该引脚电平为高时，禁止写入数据，当引脚为低电平时，可写入数据，我们直接接地，不使用写保护功能。

四.程序设计

本实验，我们新建了24cxx.c , 24cxx.h文件。这两个个文件用来存放EEPROM相关的驱动函数代码;i2c.c和i2c.h是通过使用cube工具配置后生成的代码。

Cube生成的部分I2C的初始化函数.

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I2C_HandleTypeDef hi2c2;

void MX_I2C2_Init(void)
{
  hi2c2.Instance = I2C2;
  hi2c2.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c2.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c2.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c2.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c2.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c2.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c2.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c2.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(i2cHandle->Instance==I2C2)
  {
    __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
    /**I2C2 GPIO Configuration    
    PF0     ------> I2C2_SDA
    PF1     ------> I2C2_SCL    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C2;
    HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);

    __HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();
  }
}

void HAL_I2C_MspDeInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{
  if(i2cHandle->Instance==I2C2)
  {
    __HAL_RCC_I2C2_CLK_DISABLE();
    /**I2C2 GPIO Configuration    
    PF0     ------> I2C2_SDA
    PF1     ------> I2C2_SCL 
    */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOF, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1);
  }
}

熟悉STM32 I2C 结构的话，这段初始化程序就十分好理解了，指定连接EEPROM的I2C是I2C2，地址设置为7bit 模式，关闭双地址模式，禁止通用广播模式，禁止时钟延长模式。最后调用库函数HAL_I2C_Init 把这些配置写入寄存器。

初始化好I2C 外设后，就可以使用I2C 通讯了，我们看看如何向EEPROM读写数据. 24cxx.c的代码如下：

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#include "24CXX/24cxx.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "DELAY/delay.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////	 
//本程序只供学习使用，未经作者许可，不得用于其它任何用途
// STM32F4xx开发板
//24CXX驱动代码	   
//All rights reserved									  
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 	

I2C_HandleTypeDef *at24cxx = &hi2c2; 

uint8_t AT24CXX_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr)
{				  
	uint8_t temp=0;		  
	uint8_t addr_temp=0;
	
	HAL_I2C_Mem_Read(at24cxx,AT24CXX_READ,ReadAddr%256,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&temp,1,20);
	    
	return temp;
}
//在AT24CXX指定地址写入一个数据
//WriteAddr  :写入数据的目的地址    
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(uint16_t WriteAddr,uint8_t DataToWrite)
{	
	uint8_t addr_temp=0;	
	
	HAL_I2C_Mem_Write(at24cxx,AT24CXX_WRITE,WriteAddr%256,1,&DataToWrite,1,20);

	delay_ms(10);	 
}

//在AT24CXX里面的指定地址开始写入长度为Len的数据
//该函数用于写入16bit或者32bit的数据.
//WriteAddr  :开始写入的地址  
//DataToWrite:数据数组首地址
//Len        :要写入数据的长度2,4
void AT24CXX_WriteLenByte(uint16_t WriteAddr,uint32_t DataToWrite,uint8_t Len)
{  	
	uint8_t t;
	for(t=0;t<Len;t++)
	{
		AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);
	}												    
}

//在AT24CXX里面的指定地址开始读出长度为Len的数据
//该函数用于读出16bit或者32bit的数据.
//ReadAddr   :开始读出的地址 
//返回值     :数据
//Len        :要读出数据的长度2,4
uint32_t AT24CXX_ReadLenByte(uint16_t ReadAddr,uint8_t Len)
{  	
	uint8_t t;
	uint32_t temp=0;
	for(t=0;t<Len;t++)
	{
		temp<<=8;
		temp+=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1); 	 				   
	}
	return temp;												    
}
//检查AT24CXX是否正常
//这里用了24XX的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他24C系列,这个地址要修改
//返回1:检测失败
//返回0:检测成功
uint8_t AT24CXX_Check(void)
{
	uint8_t temp;
	temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX			   
	if(temp==0X55)return 0;		   
	else//排除第一次初始化的情况
	{
		AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
	    temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);	  
		if(temp==0X55)return 0;
	}
	return 1;											  
}

//在AT24CXX里面的指定地址开始读出指定个数的数据
//ReadAddr :开始读出的地址 对24c02为0~255
//pBuffer  :数据数组首地址
//NumToRead:要读出数据的个数
void AT24CXX_Read(uint16_t ReadAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToRead)
{
	while(NumToRead)
	{
		*pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);	
		NumToRead--;
	}
}  
//在AT24CXX里面的指定地址开始写入指定个数的数据
//WriteAddr :开始写入的地址 对24c02为0~255
//pBuffer   :数据数组首地址
//NumToWrite:要写入数据的个数
void AT24CXX_Write(uint16_t WriteAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToWrite)
{
	while(NumToWrite--)
	{
		AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
		WriteAddr++;
		pBuffer++;
	}
}

这里我们通过调用库函数HAL_I2C_Mem_Write 就可以实现写,HAL_I2C_Mem_Read可以实现读功能，通过封装一次使用更方便。

头文件24cxx.h的代码如下：

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#ifndef _24CXX_H
#define _24CXX_H
//#include "sys.h"
#include "stdint.h"
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//本程序只供学习使用，未经作者许可，不得用于其它任何用途
//STM32F4xx开发板
//All rights reserved									  
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 	

#define AT24C01		127
#define AT24C02		255
#define AT24C04		511
#define AT24C08		1023
#define AT24C16		2047
#define AT24C32		4095
#define AT24C64	    8191
#define AT24C128	16383
#define AT24C256	32767  
//STM32F4xx开发板使用的是24c02，所以定义EE_TYPE为AT24C02
#define EE_TYPE AT24C02

#define AT24CXX_ADDR	0x50
#define AT24CXX_WRITE	0xA0
#define AT24CXX_READ	0xA1
					  
uint8_t AT24CXX_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr);							//指定地址读取一个字节
void AT24CXX_WriteOneByte(uint16_t WriteAddr,uint8_t DataToWrite);		//指定地址写入一个字节
void AT24CXX_WriteLenByte(uint16_t WriteAddr,uint32_t DataToWrite,uint8_t Len);//指定地址开始写入指定长度的数据
uint32_t AT24CXX_ReadLenByte(uint16_t ReadAddr,uint8_t Len);					//指定地址开始读取指定长度数据
void AT24CXX_Write(uint16_t WriteAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToWrite);	//从指定地址开始写入指定长度的数据
void AT24CXX_Read(uint16_t ReadAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToRead);   	//从指定地址开始读出指定长度的数据

uint8_t AT24CXX_Check(void);  //检查器件
#endif


EEPROM 的单字节写入

在这个通讯过程中，STM32 实际上通过I2C 向EEPROM 发送了两个数据，但为何第

一个数据被解释为EEPROM 的内存地址？这是由EEPROM 的自己定义的单字节写入时序。

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图 6-15 EEPROM 单字节写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

EEPROM的单字节时序规定，向它写入数据的时候，第一个字节为内存地址，第二个

字节是要写入的数据内容。所以我们需要理解：命令、地址的本质都是数据，对数据的解

释不同，它就有了不同的功能。

EEPROM 的页写入

在以上的数据通讯中，每写入一个数据都需要向EEPROM发送写入的地址，我们希望

向连续地址写入多个数据的时候，只要告诉EEPROM 第一个内存地址address1，后面的数

据按次序写入到address2、address3… 这样可以节省通讯的内容，加快速度。为应对这种

需求，EEPROM定义了一种页写入时序。

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图 6-16 EEPROM 页写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

根据页写入时序，第一个数据被解释为要写入的内存地址address1，后续可连续发送n 个

数据，这些数据会依次写入到内存中。其中AT24C02 型号的芯片页写入时序最多可以一次

发送8 个数据(即n = 8 )，该值也称为页大小，某些型号的芯片每个页写入时序最多可传输

16 个数据.

从EEPROM 读取数据

从EEPROM读取数据是一个复合的I2C 时序，它实际上包含一个写过程和一个读过程，见图 6-17。

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图 6-17 EEPROM 数据读取时序

读时序的第一个通讯过程中，使用I2C 发送设备地址寻址(写方向)，接着发送要读取的“内存地址”；第二个通讯过程中，再次使用I2C 发送设备地址寻址，但这个时候的数据方向是读方向；在这个过程之后，EEPROM会向主机返回从“内存地址”开始的数据，一个字节一个字节地传输，只要主机的响应为“应答信号”，它就会一直传输下去，主机想结束传输时，就发送“非应答信号”，并以“停止信号”结束通讯，作为从机的EEPROM也会停止传输。HAL 库已经帮我们实现了这一个过程.

完成基本的读写函数后，接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程序。

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//检查AT24CXX是否正常
//这里用了24XX的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他24C系列,这个地址要修改
//返回1:检测失败
//返回0:检测成功
uint8_t AT24CXX_Check(void)
{
	uint8_t temp;
	temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX			   
	if(temp==0X55)return 0;		   
	else//排除第一次初始化的情况
	{
		AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);
	    temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);	  
		if(temp==0X55)return 0;
	}
	return 1;											  
}

main 函数

编写main 函数，函数中初始化了系统时钟、SPI、LCD屏幕、I2C 外设，然后调用上

面的AT24CXX_Check 函数进行读写测试。

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int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C2_Init();
	delay_init(168);//延时初始化
	delay_ms(100);
	AT24CXX_Init();//eeprom初始化
	
	while(AT24CXX_Check())//eeprom自检测，通过返回0，不通过返回1
	{
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);//LED常高
		delay_ms(500);
	}
	
  while (1)
  {
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, GPIO_PIN_6);//LED闪烁
		delay_ms(500);
  }
}

五.实验结果

将编译好的代码下载到实验板中，按下复位键。观察屏led是常量还是闪烁，如果常亮，代表eeprom初始化出错，如果led闪烁，代表eeprom初始化通过。

六.STM32CubeMX配置硬件I2C

经过前面多个章节的学习，大家对STM32CubeMX配置已经非常熟悉. ，出于篇幅考虑，我们将不再像之前章节一样讲解那么详细，我们将只会列出配置的关键点，然后生成工程，大家自行与提供的实验代码对照学习.

I2C2配置非常简单。配置如下：

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