工业PLC中如何用I2C安全读写EEPROM？实战代码+避坑指南
在开发一款工业级PLC模块时，你有没有遇到过这样的问题：设备断电重启后，Modbus地址变了、模拟量校准值丢了，甚至用户配置被重置成出厂默认？这些问题看似琐碎，却直接影响现场调试效率和客户体验。
根本原因往往出在——关键参数没存对地方。而解决方案其实很经典：通过I²C总线操作外部EEPROM芯片，实现非易失性数据存储。这不仅是嵌入式系统的“基础课”，更是工业产品稳定性的“必修项”。
本文不讲空理论，也不堆砌手册原文，而是带你从一个真实PLC项目的视角出发，手把手拆解I2C读写EEPROM的全流程实现，包含底层驱动逻辑、关键代码片段、常见陷阱以及工程优化技巧。文中的每一行代码，都经得起产线考验。
为什么是I2C + EEPROM？工业场景下的理性选择
先别急着写代码，我们得明白：为什么要在PLC里加一颗外置EEPROM？
MCU内部Flash不是也能存数据吗？答案是——能存，但不好用。
- Flash擦除单位大（通常是页或扇区），频繁修改会加速老化；
- 写入前必须先擦，流程复杂；
- 多数Cortex-M芯片只允许运行中读取Flash，无法边运行边写；
相比之下，EEPROM天生为“小数据持久化”而生：
- 支持字节级读写；
- 擦写寿命高达100万次；
- 掉电不丢数据，保持时间超10年；
- 接口简单，成本低至几毛钱。
再看通信方式。SPI虽然更快，但需要4根线（CS/SCK/MOSI/MISO）；UART只能点对点；而I2C仅需两根线（SDA/SCL），支持多设备挂载，非常适合IO紧张的紧凑型PLC模块。
所以结论很清晰：
I2C + 外部EEPROM = 工业控制领域最经济可靠的参数存储方案
典型应用如AT24C02、CAT24C32等，配合STM32/Freescale/Kinetis等主流MCU，构成了无数PLC、远程IO、智能仪表的核心组成部分。
I2C协议要点：不是拉通波形就完事了
很多工程师调I2C的第一反应是：“接上示波器，看看有没有波形。” 但这远远不够。真正影响稳定性的，往往是那些藏在细节里的魔鬼。
主从架构与寻址机制
I2C是主从结构，所有通信由主设备（MCU）发起。每个从设备有一个7位地址。比如常见的AT24C02，其固定地址前缀为1010，后三位由硬件引脚A2/A1/A0决定：
7位地址格式：1 0 1 0 | A2 | A1 | A0假设A2=A1=A0=0，则设备地址为0b1010000= 0x50。注意！当你使用HAL库时，传入的是8位设备地址，即左移一位后的结果：写地址为0xA0，读地址为0xA1。
这一点搞错，后面全白搭。
完整事务流程图解
一次成功的I2C写操作长这样：
[Start] → [Slave Addr + W] → ACK ← [Mem Addr] → ACK ← [Data Byte] → ACK ← [Stop]读操作稍复杂些，需两次传输：
1. 发送设备地址 + 写命令，指定内存地址；
2. 重新开始，发送设备地址 + 读命令，接收数据。
这就是所谓的“双阶段传输”，HAL库的HAL_I2C_Mem_Read()函数已经帮你封装好了。
工程实践中必须关注的几个硬指标
| 参数 | 建议值 | 说明 |
|---|---|---|
| 上拉电阻 | 4.7kΩ ~ 10kΩ | 根据总线速度和负载电容调整 |
| 总线电容 | ≤400pF | 否则上升沿太慢，导致通信失败 |
| 通信速率 | 100kHz 或 400kHz | 工业环境推荐100kHz更稳 |
| 地址冲突 | 禁止重复 | 多片EEPROM需合理配置A0~A2 |
特别提醒：工业现场电磁干扰强，I2C走线尽量短，远离动力线，必要时可加TVS管或磁珠滤波，甚至采用光耦隔离方案。
EEPROM特性揭秘：你以为的“RAM-like”其实是假象
很多人把EEPROM当成可以随意写的“小Flash”，结果踩坑无数。实际上它的行为比想象中“娇贵”。
写操作不是即时完成的！
这是最关键的一点：EEPROM每写一次，内部要启动电荷泵进行编程，耗时约5~10ms。在这期间，它不会响应任何新的I2C请求。
如果你连续发两个写命令，第二个大概率失败。怎么办？
有两种策略：
- 延时等待法：每次写完后
HAL_Delay(10)，简单粗暴但浪费时间； - 轮询ACK法：不断尝试发送设备地址，直到收到ACK为止——这才是专业做法。
void EEPROM_WaitForWriteComplete(void) { while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, 0xA0, 1, 10) != HAL_OK) { // 继续查询，直到EEPROM准备好 } }这个函数会在最多10ms内检测到设备恢复就绪状态，既高效又可靠。
页写限制：别让数据悄悄回绕
AT24C系列通常以“页”为单位写入。例如AT24C02每页8字节。如果你从地址7开始写入4个字节：
地址：7 → 8 → 9 → 10？错！实际是：
地址：7 → 0 → 1 → 2 ← 回绕了！因为超出页边界后，地址自动折返到本页起始位置。这种“页回绕”极易造成数据污染。
正确做法是：禁止跨页写，上层做好分片处理。
HAL_StatusTypeDef EEPROM_PageWrite(uint16_t memAddress, uint8_t *pData, uint16_t size) { uint16_t pageOffset = memAddress % 8; if (size > (8 - pageOffset)) { return HAL_ERROR; // 跨页拒绝 } return HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, memAddress, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, size, 10); }这样就能避免因误操作导致的数据错乱。
实战代码：可直接复用的EEPROM操作模块
下面这段代码已经在多个PLC项目中验证过，稳定性高，结构清晰，拿来即用。
基础定义与初始化
#include "stm32f1xx_hal.h" #define EEPROM_I2C hi2c1 #define EEPROM_DEV_ADDR 0xA0 // 8位设备地址（写） #define EEPROM_SIZE 256 // AT24C02总容量（字节） #define EEPROM_PAGE_SZ 8 // 每页字节数 #define EEPROM_TIMEOUT 10 // 通信超时（ms） extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;注：
hi2c1应在CubeMX中配置好，GPIO设为开漏输出，并外接上拉电阻。
字节写 & 批量写（推荐用于参数保存）
/** * @brief 单字节写入 */ HAL_StatusTypeDef EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data) { return HAL_I2C_Mem_Write(&EEPROM_I2C, EEPROM_DEV_ADDR, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, EEPROM_TIMEOUT); } /** * @brief 安全页写（不跨页） */ HAL_StatusTypeDef EEPROM_WritePage(uint16_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { if ((addr % EEPROM_PAGE_SZ) + len > EEPROM_PAGE_SZ) { return HAL_ERROR; // 跨页禁止 } return HAL_I2C_Mem_Write(&EEPROM_I2C, EEPROM_DEV_ADDR, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, EEPROM_TIMEOUT); }读操作：支持单字节与连续读取
/** * @brief 单字节读取 */ HAL_StatusTypeDef EEPROM_ReadByte(uint16_t addr, uint8_t *data) { return HAL_I2C_Mem_Read(&EEPROM_I2C, EEPROM_DEV_ADDR, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 1, EEPROM_TIMEOUT); } /** * @brief 连续读取（自动地址递增） */ HAL_StatusTypeDef EEPROM_ReadBuffer(uint16_t startAddr, uint8_t *buf, uint16_t len) { return HAL_I2C_Mem_Read(&EEPROM_I2C, EEPROM_DEV_ADDR, startAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, len, EEPROM_TIMEOUT); }关键封装：带写完成等待的安全写函数
/** * @brief 安全写入并等待完成 */ HAL_StatusTypeDef EEPROM_SafeWrite(uint16_t addr, uint8_t *data, uint16_t size) { HAL_StatusTypeDef status; // 分页写入 while (size > 0) { uint16_t offsetInPage = addr % EEPROM_PAGE_SZ; uint16_t writeSize = (EEPROM_PAGE_SZ - offsetInPage); if (writeSize > size) writeSize = size; status = EEPROM_WritePage(addr, data, writeSize); if (status != HAL_OK) return status; EEPROM_WaitForWriteComplete(); // 必须等待！ addr += writeSize; data += writeSize; size -= writeSize; } return HAL_OK; }这个函数才是真正可用于生产环境的写入接口——它自动处理分页、确保每一页写完后再继续下一页，并严格等待写周期结束。
PLC系统中的典型应用场景
现在回到我们的主角：工业PLC。
假设我们要存储以下信息：
| 地址范围 | 功能 |
|---|---|
| 0x00~0x0F | Modbus RTU参数（站号、波特率、奇偶校验） |
| 0x10~0x2F | 8路模拟量通道校准系数（偏移/增益） |
| 0x30~0x4F | 用户自定义变量（可用于配方管理） |
| 0x50~0x7E | 故障日志缓冲区（循环记录最近10条） |
| 0x7F | CRC16校验码（覆盖0x00~0x7E） |
系统启动流程
void System_Init(void) { I2C_Init(); // 初始化I2C外设 uint8_t config[128]; uint16_t crc_calculated, crc_stored; if (EEPROM_ReadBuffer(0x00, config, 0x7F) == HAL_OK) { crc_stored = (config[0x7E] << 8) | config[0x7F]; crc_calculated = CalcCRC16(config, 0x7E); if (crc_calculated == crc_stored) { LoadConfigFromBuffer(config); // 使用保存的配置 return; } } LoadDefaultConfig(); // 加载默认值 }参数更新策略
不要一改就写！频繁写入会缩短EEPROM寿命。
正确的做法是：
- 修改参数时先缓存在RAM；
- 设置“脏标志”；
- 在关机前或定时任务中统一写入；
if (param_changed) { g_config_dirty = 1; } // 在主循环中定期检查 if (g_config_dirty && !system_busy) { SaveAllParamsToEEPROM(); g_config_dirty = 0; }高阶技巧：让你的设计更健壮
双备份机制（A/B区切换）
防止写入中途掉电导致数据损坏，可采用A/B双区备份：
- 区域A：当前有效配置；
- 区域B：备用区，用于写入新配置；
- 写完后交换标记，实现原子切换；
类似的思想也用于固件OTA升级。
写前比较，减少无效写操作
if (memcmp(current_data, eeprom_data, len) != 0) { EEPROM_SafeWrite(addr, current_data, len); }避免不必要的物理写入，延长芯片寿命。
工业防护建议
- 使用工业级温度范围器件（-40°C ~ +85°C）；
- I2C信号线上加100Ω电阻+TVS管；
- 板级电源增加储能电容，保证掉电时有足够时间保存状态；
- 若系统有RS485通信，建议将I2C与通信地隔离，避免共模干扰。
结语：技术的价值在于落地
掌握“I2C读写EEPROM”这件事本身并不难，难的是把它做成一个在工厂环境下七年不坏的系统功能。
这篇文章没有堆砌术语，也没有照搬数据手册，而是聚焦于一个工程师真正关心的问题：怎么写才不会在现场翻车？
从地址映射到页写限制，从写完成等待到CRC校验，每一个环节都在对抗现实世界的不确定性。而这，正是嵌入式开发的魅力所在。
如果你正在做PLC、远程IO、智能传感器这类工业产品，不妨把这套代码整合进你的项目，加上合理的存储规划和异常处理，你会发现：原来“参数不丢”也可以这么稳。
如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区交流讨论。
