at91sam7x256之IIC(TWI)实验_PCF8563_AT24C02

来源：互联网发布：老白老婆知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/01 08:45

　I2C总线是由Philips公司开发的2线式串行总线，由于其简单、高效、互联成本小而被广泛地用于微控制器与外围设备的连接。AT91SAM7X256是Atmel公司于2005年推出的基于ARM7的工业级芯片，他以体积小、功耗低、连接方式广泛、处理资源丰富、控制灵活等特点受到嵌入式领域开发人员的重视。本文介绍AT91SAM7X256的I2C控制器TWI接口(two-wired interface)的使用方法，并以I2C设备E2PROM和日历时钟芯片为例，实现AT91SAM7X256对时间数据的读取与存储。同时，为了验证时间数据的读取与存储是否正确，使用AT91SAM7X256的在线仿真器J-LINK将E2PROM中的数据读至内存进行检查。

硬件设计

2.1 硬件模块结构

　　电路的硬件模块结构如图1所示。

　　AT91SAM7X256的TWI接口由一根时钟线TWCK和一根数据线TWD组成，产生的信号时序符合I2C总线规范；PCF8563是Philips公司推出的一款内含I2C总线接口功能的工业级时钟芯片；AT24C08是Atmel公司推出的符合I2C规约的两线串口E2PROM。AT91SAM7X256的TWCK和TWD分别与芯片PCF8563和AT24C08的SCL与SDA相连，CPU通过TWI接口将时间数据读出并存储。为了保证CPU不冲突的访问PCF8563和AT24C08，本文将AT24C08的A2管脚接高电平。由于I2C总线空闲时为高电平，所以为实现“线与”功能，总线上连接的设备均是集电极开路的，因此总线需外接上拉电阻R。AT91SAM7X256的TWI有主从2种工作模式，本文中AT91SAM7X256作为控制方，应工作于主模式。

2.2 AT91SAM7X256的TWI接口

　　AT91SAM7X256的TWD和TWCK管脚与设备的I／O管脚复用，同时AT91SAM7X256采用单独控制功能单元的省电方案，电源管理单元PMC控制各功能单元的时钟是否工作，所以要使用TWI接口，需要首先配置TWD和TWCK为外设连线和开路状态，其次配置PMC使TWI时钟处于工作状态。

　　TWI接口可提供高达400 kb／s的传输速率，为使得数据的传输速率面向不同应用，可以通过配置时钟脉冲发生器的控制寄存器TWI_CWEG调整TWCK的信号频率。

　　TWI接口产生的信号时序符合I2C总线规范，当读／写1个字节数据时，主设备需提供从设备的设备地址、内部地址、读写控制以及起始标志和停止标志。在数据的收发过程中，主要使用控制寄存器TWI_CR、主模式寄存器TWI_MMR、内部地址寄存器TWI_IADR、状态寄存器TWI_SR、传输保持寄存器TWI_THR和接收保持寄存器TWI_RHR。从设备地址在TWI_MMR中设置，从设备的内部地址在TWI_IADR中设置；在TWI_CR中设置是否发送起始信号和停止信号；NAK(无应答)、OVER(运行错误)、TXRDY(发送准备好)、RXRDY(接收准备好)、TX-COMP(传输完成)等状态位通过查询WI_SR得到。

　　写数据的过程包括：当TWI_THR写入数据后，CPU产生起始信号启动传输，TWI_THR中的数据经过并串转换后由TWD传输出去，当CPU收到从设备的应答信号后，TWI_SR的TXRDY将自动置“1”，说明数据已写入从设备。读数据的过程包括：CPU发出起始信号后，若TWI_SR的RXRDY位为“1”，则说明TWI_RHR中有数据等待接收，当TWI_RHR中的数据被读出后，则RXRDY自动置为“0”。当读／写数据完毕后，CPU将产生一个停止信号结束传输，TWI_SR的TXCOMP将自动置“1”。

2.3 PCF8563日历时钟芯片的使用方法

　　按I2C协议规约，PCF8563具有惟一的设备地址0A2H。本文重点研究PCF8563时、分、秒数据的读取方法，在此用到的内部寄存器包括控制／状态寄存器1(地址为00H)、秒寄存器(地址为02H)、分寄存器(地址为03H)、小时寄存器(地址为04H)。由于寄存器中以BCD格式存储时、分、秒数据，所以各时间时间寄存器的高位无效。

　　为使PCF8563工作于普通模式，需要将控制／状态寄存器1置为00H，同时为了存储正确的时间数据，需要将读到的数据中无效的高位进行屏蔽。若需要校对时间，只需对时、分、秒寄存器进行写操作即可。

2.4 AT24C08的使用方法

　　AT24C08是容量为8192 b(1024 B)的E2PROM。AT24C08内部分为4页，每一页有256字节单元，所以若要访问某个单元则需要10位进行寻址，其中最高两位是页地址，低8位是页内地址。设备地址的定义如图2所示，其中P1P0对应页地址，管脚A2可为AT24C08设定两组设备地址。当A2为低电平时，4页的设备地址分别为0A0H，0A2H，0A4H，0A6H；当A2为高电平时；反之为0A8H，0AAH，0ACH，0AEH。因此，为了避免AT24C08与PCF8563的设备地址冲突，需将A2连接高电平。

　　AT24C08的写操作支持“字节写”和“页面写”两种方式。“字节写”方式中每写一个字节均需主设备提供起始信号、设备地址、内部地址以及停止信号；“页面写”方式即连续写数据，需主设备提供起始标志、设备地址以及内部地址，数据全部写完后再发送停止标志。

　　AT24C08的读操作支持“当前地址读”、“随机读”和“顺序读”3种方式。“当前地址读”表示从当前内部地址单元读出1个字节，所以主设备仅需提供起始信号、设备地址和停止信号；“随机读”表示从任意内部地址单元读出1个字节，所以主设备需要先提供1次起始信号、设备地址、写操作、设备内部地址和停止信号，设定设备的内部地址，之后再按“当前地址读”方式读数据即可；“顺序读”表示从当前地址开始连续读多个字节，所以主设备需提供起始信号、设备地址、读操作，数据全部读完后再发送停止信号。

　　为了快速读写数据，本文采用页面写的方式将数据写入AT24C08；采用“随机读”和“顺序读”相结合的方式读取AT24C08数据。

软件设计

3.1 TWI初始化程序的设计

　　根据TWI的功能特点，TWI初始化的初始化包括以下4步：

　　(1)配置PIO控制器使复用管脚驱动TWI信号；

　　(2)配置PMC使TWI时钟处于工作状态；

　　(3)配置TWI为主工作模式。本文CPU为主设备，日历和存储芯片为从设备；

　　(4)设置数据传输速率，配置TWI时钟波形发生器寄存器。

IIC驱动程序：

#include <AT91SAM7X256.H>
#include <Lib_AT91SAM7X256.H>
#include "main.h"
#include "twi_driver.h"

#define ERROR      (AT91C_TWI_NACK)//状态寄存器的一位，如果置1表示从机未应答
//*============================================================================
//*                   TWI初始化
//*============================================================================
//*----------------------------------------------------------------------------
//* 函数名： AT91F_SetTwiClock
//* 功能：   设置TWI时钟波形发生寄存器
//*----------------------------------------------------------------------------
void AT91F_SetTwiClock(void)
{
int sclock;

/* Here, CKDIV = 1 and CHDIV=CLDIV ==> CLDIV = CHDIV = 1/4*((Fmclk/FTWI) -6)*/

        sclock = (10*AT91B_MCK /AT91C_TWI_CLOCK);
if (sclock % 10 >= 5)
  sclock = (sclock /10) - 5;
else
  sclock = (sclock /10)- 6;
sclock = (sclock + (4 - sclock %4)) >> 2; // div 4

AT91C_BASE_TWI->TWI_CWGR = ( 1<<16 ) | (sclock << 8) | sclock ;
}

//*----------------------------------------------------------------------------
//*函数名： AT91F_TWI_Open
//* 功能：初始化TWI接口
//*----------------------------------------------------------------------------
void AT91F_TWI_Open(void)
{
// 配置I/O口作为TWI功能
AT91F_TWI_CfgPIO ();

// 将TWD和TWCK定义为开路
AT91F_PIO_CfgOpendrain(AT91C_BASE_PIOA,Twd_Twck);

// 开TWI时钟源
AT91F_TWI_CfgPMC ();

// 配置TWI工作在主模式，禁止TWI中断，采用查询读写方式
AT91F_TWI_Configure (AT91C_BASE_TWI);

// 设置TWI时钟波形发生寄存器
AT91F_SetTwiClock();
}

//*=============================================================================
//*                      写EPROM
//*=============================================================================
//*----------------------------------------------------------------------------
//* 函数名：AT91F_TWI_WriteByte
//* 功能：发送（以字节为单位）数据到设备（EPROM）
//*参数说明：
//         pTwi：指向TWI结构的首地址-----设为AT91C_BASE_TWI
//         mode：TWI的工作模式----用于设置WTI的主模式寄存器（内部器件地址长度，主机读写方向，器件地址），见DATASHEET
//         int_address：器件的内部地址（要写入的位置）
//         data2send：代写的数据缓冲区地址
//         nb：写入的字节数
//*----------------------------------------------------------------------------
int AT91F_TWI_WriteByte(const AT91PS_TWI pTwi ,int mode, int int_address, char *data2send, int nb)
{
unsigned int status,counter=0,error=0;
// 设置TWI内部地址寄存器---可设为0，1，2，3位内部地址
if ((mode & AT91C_TWI_IADRSZ) != 0) pTwi->TWI_IADR = int_address;
// 设置TWI的主模式寄存器（此处为主机写）
pTwi->TWI_MMR = mode & ~AT91C_TWI_MREAD;
    // 如果只写1个字节
if(nb <2)
    {
         //发送START状态，使能传输，传输完后发送STOP状态
pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_START | AT91C_TWI_MSEN | AT91C_TWI_STOP;
         //将数据写入发送保持寄存器
pTwi->TWI_THR = *data2send;
}
else //如果一次写入多个字节
{
  for(counter=0;counter<nb;counter++)
        {
           //发送START状态，使能传输
           pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_START | AT91C_TWI_MSEN;
           //最后一个数据发送完后，接着发送STOP状态
           if (counter == (nb - 1)) pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_STOP;
           //读取状态寄存器
           status = pTwi->TWI_SR;
           //如果发送完一个字节后没收到应答信号，则表明有一次传输错误
           if ((status & ERROR) == ERROR)   error++;
           while (!(status & AT91C_TWI_TXRDY))
           {
             status = pTwi->TWI_SR;
             if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
           } //END while
           //传输下一个字节
           pTwi->TWI_THR = *(data2send+counter);
    }//END for
}//END else
    //读取状态寄存器
status = pTwi->TWI_SR;
   //如果发送完一个字节后没收到应答信号，则表明有一次传输错误
if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
//等待数据发送完
    while (!(status & AT91C_TWI_TXCOMP))
    {
  //读取状态寄存器
  status = pTwi->TWI_SR;
  //如果发送完一个字节后没收到应答信号，则表明有一次传输错误
  if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
    }//END while
    return error;
}

//*=============================================================================
//*                        读（EPROM）
//*=============================================================================
//*----------------------------------------------------------------------------
//* 函数名：AT91F_TWI_ReadByte
//* 功能：从设备（EPROM）中读取一个字节的数据
//*参数说明：
//         pTwi：指向TWI结构的首地址-----设为AT91C_BASE_TWI
//         mode：TWI的工作模式----用于设置WTI的主模式寄存器（内部器件地址长度，主机读写方向，器件地址），见DATASHEET
//         int_address：器件的内部地址（要写入的位置）
//         data2read：数据缓冲区地址
//         nb：要读出的字节数
//* Creation            : 张正锋 2005-12-30 zhangzf@baite-group.com
//*----------------------------------------------------------------------------
int AT91F_TWI_ReadByte(const AT91PS_TWI pTwi ,int mode, int int_address, char *data2read, int nb)
{
unsigned int status,counter=0,error=0;

    // 设置TWI内部地址寄存器---可设为0，1，2，3位内部地址
if ((mode & AT91C_TWI_IADRSZ) != 0) pTwi->TWI_IADR = int_address;
// 设置TWI的主模式寄存器（此处为主机读）
pTwi->TWI_MMR = mode | AT91C_TWI_MREAD;

//如果只读取一个字节
if (nb == 1)
    {
        //发送START状态，接收完后发送STOP状态
    pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_START | AT91C_TWI_STOP;
        //读取状态寄存器
    status = pTwi->TWI_SR;
        //如果没收到应答信号，则表明有一次传输错误
    if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
        //等待操作完
    while (!(status & AT91C_TWI_TXCOMP))
    {
     status = pTwi->TWI_SR;
         if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
    }
        //将数据放入缓冲区
    *(data2read) = pTwi->TWI_RHR;
} //END if
  else //如果读取多个字节
    {
       //发送START状态，接收完后发送STOP状态
     pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_START | AT91C_TWI_MSEN;
       //读取状态寄存器
    status = pTwi->TWI_SR;
       //如果没收到应答信号，则表明有一次传输错误
    if ((status & ERROR) == ERROR) error++;
   //等待操作完
       while (!(status & AT91C_TWI_TXCOMP))
       {
        status = pTwi->TWI_SR;
      if ((status & ERROR )== ERROR) error++;
            //查看是否收到一个字节数据
      if(status & AT91C_TWI_RXRDY)
   {
                 //将数据放入缓从区
     *(data2read+counter++) = pTwi->TWI_RHR;
                 //如果是最后一次读取则发送STOP 状态
     if (counter == (nb - 1)) pTwi->TWI_CR = AT91C_TWI_STOP;
         } //END if
     } //END while
} //END else

return error;
}

3.2 PCF8563驱动程序的设计

　　为了控制PCF8563的工作方式，需要对其写入控制字；为了得到PCF8563输出的时间信息，需要对其进行读操作。

#define PCF8563_ADDRESS (0xA2<<15) //PCF8563的地址为 1010 0010这里需要特别注意的是（0xA2<<15）而不是（0xA2<<16），主要是因为地址是7位的，不是8位地址，这个和51中不同，但最终写到iic总线上的数据是一样的。看一下TWI_MMR寄存器，第23位是不可用的，第12位是读写位，就明白了。

#define PCF8563_ADDRESS (0xA2<<15) //PCF8563的地址为 1010 0010

void Writ_readtime_test（）

{

unsigned int i=0;
char buf0[20],buf[20],write[20]={0xa0,0xbb,0xcc,0xdd,0x55,0x44,0x33,0x22,0x11,0x01};//注意设置好年月日时分秒
for(i=0;i<20;i++)
{
//x[i]=0;
buf0[i]=0;

}

i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, PCF8563_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0X02, &write[0], 1);
for(i=0;i<0xfff;i++);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, PCF8563_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x02, buf0, 10);;
i=buf0[0];

}

3.3 AT24C08驱动程序的设计

　　由于AT24C08由4个具有不同设备地址的页组成，且采用连续读写数据的操作方式，所以AT24C08的读写与PCF8563读写有以下几点区别。

　　(1)先设置TWI_CR的起始标志，之后通过TWI_RHR和TWI_THR读／写TWI接口的数据；发送最后一个数据之前，再设置TWI_CR的停止标志。

　　(2)对于多字节数据的读写，全部数据若没有传输完毕，便不发送停止信号，所以需通过判断TWI_SR寄存器中的TXRDY和RXRDY决定是否读TWI_RHR和写TWI_THR，而将是否出现停止信号作为是否停止发送和接收的判断依据。

　　(3)由于数据量和起始单元均是随机的，所以有可能出现一页写不下的情况，因此针对给定的数据量和起始单元参数需要计算出共需几页，以便在进行页面切换时更换设备地址。

测试程序：
#define AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS (0x50<<16) //EEPROM的地址为 0101 0000

void write_read_at24c02_test()

{

unsigned int i=0;
char buf0[20],buf[20],write[20]={0xa0,0xbb,0xcc,0xdd,0x55,0x44,0x33,0x22,0x11,0x01};
for(i=0;i<20;i++)
{
//x[i]=0;
buf0[i]=0;
write[i]=i;
}

i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x00, write, 10);
i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x10, &write[10], 10);
for(i=0;i<0xfff;i++);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x00, buf, 10);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x10, &buf[10], 10);
i=buf[0];

}

程序主函数：

#define AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS (0x50<<16) //EEPROM的地址为 0101 0000
#define PCF8563_ADDRESS (0xA2<<15) //PCF8563的地址为 1010 0010

int main()
{
unsigned int i=0;
char buf0[20],buf[20],write[20]={0xa0,0xbb,0xcc,0xdd,0x55,0x44,0x33,0x22,0x11,0x01};
for(i=0;i<20;i++)
{
//x[i]=0;
  buf0[i]=0;
  write[i]=i;
}
AT91F_LowLevelInit();
Init_GPIO();

    Init_SPI0();
    Init_UART0();
AT91F_TWI_Open();
for(i=0;i<0xfff;i++);

     i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x00, write, 10);
   i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x10, &write[10], 10);
for(i=0;i<0xfff;i++);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x00, buf, 10);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, AT91C_EEPROM_I2C_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x10, &buf[10], 10);
i=buf[0];
i =AT91F_TWI_WriteByte(AT91C_BASE_TWI, PCF8563_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0X01, &buf0[0], 1);
for(i=0;i<0xfff;i++);
i=AT91F_TWI_ReadByte(AT91C_BASE_TWI, PCF8563_ADDRESS | AT91C_TWI_IADRSZ_1_BYTE, 0x01, buf0, 10);;
i=buf0[0];

};

3.4 软件的调试与运行

　　本文采用keil FOR ARM 3.50开发环境和J-LINK仿真器进行软件的在线调试和加载运行。调用函数完成以下程序设计：首先从PCF8563连续读出若干数据并写入AT24C08；其次，将AT24C08中的数据读至数组变量中。在程序中的读完AT24C08数据后设置断点，观测数组中存放的数据，从而验证驱动程序的正确性。