I2c шина sda scl (5 видео) | Технарь знаток

I²C (и-квадрат-це, ай-ту-си, ай-сквэрд-си), Inter-Integrated Circuit — последовательная шина обмена данными между интегральными схемами. Изобретена и в начале 80-х компанией Philips Semiconductor (теперь NXP), передача данных осуществляется по двум проводам в обе стороны. Ведущий и ведомый могут выполнять как роль приёмника, так и передатчика. Для возможности соединения более двух устройств используются адресация. Опрашивать адреса шины может только ведущий. Адрес последовательно выводится на линию SDA сразу после сигнала Start. В этой статье речь пойдёт только о 7-ми битной адресации, так же не будет затронута тема нескольких ведущих. На каждом устройстве, поддерживающем I²C обычно обозначены два вывода: SDA и SCL. SDA (serial data) — означает последовательные данные, SCL (serial clock) — последовательное тактирование. Эти выводы являются выводами открытого коллектора или открытого стока, это означает что ведущий и ведомый могут только притягивать электрический потенциал к земле, поэтому на каждой линии должны быть подтягивающие резисторы. Сопротивление резисторов рассчитывается в зависимости от паразитной ёмкости линии.

Содержание

Подключение:
I²C на Arduino
I²C на Raspberry Pi
Подробнее о шине I²C:
Резисторы, ёмкость и длина линий шины
Сигналы и специальные биты шины
Обмен данными
Скорость
Интерфейс I2C и Arduino
Инструкция по использованию протокола I 2 C совместно с Arduino
Нам понадобится:
1 Описание интерфейса I2C
2 Реализация I2Cв Arduino
3 Библиотека «Wire» для работы с IIC
4 Подключение I2C устройствак Arduino
5 Управление устройством по шине IIC
6 Дополнительно о шине I2C
💡 Видео

Видео:Шина данных i2c - декодируем/синхронизируем с помощью осциллографа Lecroy!Скачать

Подключение:

Шина поддерживает подключение до 112 устройств (при 7-ми битной адресации) по двум проводам (плюс GND и Vcc), может иметь несколько ведущих и ведомых. При использовании нескольких ведущих, каждый из них должен поддерживать этот режим и уметь определять состояние занятой шины.

I²C на Arduino

Arduino UNO R3/Piranha UNO

На Arduino UNO R3/Piranha UNO шина I2C находится на выводах A4, A5. Также в эти выводы продублированы на колодке с цифровыми выводами рядом с кнопкой Reset.

Piranha ULTRA

На Piranha ULTRA шина I²C не занимает аналоговые выводы A4, A5 и находится на цифровой колодке рядом с кнопкой Reset, выводы обозначены SDA и SCL

Arduino MEGA R3

На Arduino MEGA R3 шина I²C находится на цифровой колодке на крайних выводах, близких к разъёму USB и на выводах 20, 21. Выводы объединены.

Примеры для Arduino

Работа с шиной с использованием встроенной библиотеки Wire Arduino IDE на примере Trema-модуля LED Матрицы 8×8 — i2c

В этом примере на матрицу выводится изображение стрелки. Стоит заметить, ко всем нашим модулям написаны библиотеки с высокоуровневым интерфейсом и вовсе не обязательно работать с матрицей на низком уровне. Подробнее о работе с библиотекой матрицы можно узнать по этой ссылке.

I²C на Raspberry Pi

На Raspberry Pi I²C выводы это 3-й и 5-й выводы колодки, GPIO2 и GPIO3 по номенклатуре BCM и выводы 8, 9 по номенклатуре WiringPi.

Примеры для Raspberry

Работа с шиной с использованием модуля smbus для Python на примере Trema-модуля Матрицы 8×8 — i2c. Для работы с шиной её необходимо включить в настройках Raspberry при помощи утилиты raspi-config . Ссылка на подробное описание как это сделать.

Так же как и в примере с Arduino, в этом примере на матрицу выводится изображение стрелки. Стоит заметить, к Trema-модулю LED Матрица 8×8 — i2c написана библиотека с высокоуровневым интерфейсом и вовсе не обязательно работать с матрицей на низком уровне. Подробнее о работе с библиотекой матрицы можно узнать по этой ссылке

Видео:Введение в шину I2CСкачать

Подробнее о шине I²C:

Резисторы, ёмкость и длина линий шины

В официальном описании от NXP ничего не сказано о максимальной длине шины, но не стоит этим злоупотреблять. Шина была придумана для обмена информации между интегральными схемами в пределах одной платы одного устройства. В расчёт бралась только паразитная ёмкость линии, которая сказывается на скорости нарастания фронта волны. От этой ёмкости зависит номинал подтягивающих резисторов. Можно подобрать резисторы так, чтобы фронт волны нарастал согласно спецификации и при 100-метровой длине проводов, но это не избавляет от помех, которые влечёт за собой несимметричная электрическая реализация. Опять же, при слишком маленьком сопротивлении качество сигнала улучшается, но при этом растёт ток который необходимо пропускать устройствам через выводы для притяжки линий.

Читайте также: Минимально допустимый износ шин

При использовании шины на модулях не существует принятого стандарта установки подтягивающих резисторов на ведущем или ведомом. У Arduino подтягивающие резисторы отсутствуют и для работы с шиной нужен хотя бы один модуль с ними. У Raspberry Pi на плате установлены подтягивающие резисторы номиналом 1,7 килоОм и для неё нет необходимости в подтяжке на модулях.

Сигналы и специальные биты шины

В состоянии покоя линии шины находятся на верхнем потенциале (обычно 3,3 В или 5 В, но могут быть и другие напряжения). Бездействие устройства, по умолчанию, воспринимается как логическая 1. Для простоты понимания можно рассмотреть аналогию: Вообразим верхний потенциал как уровень воды, а нижний как дно. Представьте, что Вы на рыбалке — попловок в состоянии покоя остаётся на поверхности, когда клюёт — идёт ко дну. Так же и в здесь, при обмене данными линии прижимаются в нулевому потециалу. Далее рассмотрим поочереди сингалы и специальные биты.

Устанавливаемые только ведущим

Start — сигнал начала обмена данными. Линия тактирования SCL отпущена (логическая 1), ведущий пижимает линию данных SDA (переход из логической 1 в логический 0). После этого обмен данными происходит побайтово. Первый байт — семь бит адреса ведомого и бит направления (запись или чтение). Последующие байты — данные. после этого сигнала шина считается занятой.

Краткое обозначание сигнала S — заглавная буква S латинского алфавита.

Бит Read — Если ведущий желает получить данные, он устанавливает логическую 1 сразу после адреса, информируя ведомого о том, что данные будут считываться (управление линией данных передаётся ведомому).

Краткое обозначание R — заглавная буква R латинского алфавита.

Бит Write — Если ведущий желает записать данные, он устанавливает логический 0 сразу после адреса для информирования ведомого о том что данные будут записываться (управление линией данных остаётся у ведущего).

Краткое обозначение W̅ — заглавная буква W латинского алфавита с чертой сверху.

Stop — сигнал окончания обмена данными. Ведущий прекращат тактирование, линия тактирования SCL отпущена (логическая 1), линия данных SDA переведена ведущим из логического 0 в логическую 1. После этого сигнала шина считается свободной.

Краткое обозначение P — заглавная буква P латинского алфавита.

Restart — сигнал продолжения обмена данными (используется взамен сигналу Stop с последующим Start для продолжения опрашивания шины ). Используется в основном при наличии нескольких ведущих на шине, чтобы управление не перешло другому ведущему после сигнала Stop. Линия тактирования SCL отпущена ведущим, линия данных SDA переведена ведущим из логической 1 в логический 0.

Обозначается Sr — заглавная буква S и строчная буква r латинского алфавита.

Устанавливаемые ведущим и ведомым

Данные биты может устанавливат как ведущий, так и ведомый. В такой ситуации устанавливающее устройство или модуль (ведущий или ведомый) называют передатчиком, а считывающее устройство — приёмником.

Бит ACK — (сокращ. англ. acknowledged — подтверждено) каждый девятый импульс тактирования передатчик (ведущий или ведомый) отпускает линию данных. Если линия была прижата приёмником (логический 0) — принятые данные верны, передача может быть продолжена или закончена.

Обозначается A — заглавная буква A латинского алфавита

Бит NACK — (сокращ. англ. not acknowledged — не подтверждено) каждый девятый импульс тактирования передатчик (ведущий или ведомый) отпускает линию данных. Если линия была отпущена принимающим или принимающего нет на шине (логическая 1) — принятые данные неверны, произошла ошибка, передача не может быть продолжена. Обозначается A̅ — заглавная буква A латинского алфавита с чертой сверху.

Видео:Логический анализатор шины i2cСкачать

Обмен данными

При обмене данными тактированием занимается только ведущий, а ведомый может удерживать линию тактирования только если не успевает за ведущим, так называемое растягивание тактирования (clock-stretching). Не все модули поддерживают удержание. Установка бита на линии данных может происходит в момент, когда линия тактирования прижата, а считывания, когда линия отпущена (подтянута к Vcc), но в большинстве случаев это происходит по фронту волны на линии тактирования.

Читайте также: Профессиональный компрессор для накачки шин

Рассмотрим пример простого обмена данными:

Запись в регистры ведомого. Данные взяты из примеров, приведённых выше.

После сигнала Start и указания адреса ведущий записывает адрес регистра с которого будет производиться дальнейшая запись. Стоит заметить, что у ведомого есть внутренний счётчик и каждый последующий байт после подтверждения будет записан в следующий регистр. Таким образом байт со значением 0x00 будет записан в регистр 0x11, байт со значением 0x18 будет записан в регистр 0x12, байт со значением 0x3C будет записан в регистр 0x13 и т. д. В этом примере биты ACK устанавливает ведомый.

Вот так сигналы этого примера выглядят на осциллографе:

Канал 1 — тактирование (SCL)
Канал 3 — данные (SDA)
Линия B1 — декодирование данных осциллографом

Чтение из регистров ведомого. Предположим, мы хотим прочитать байт из регистра 0x13.

После сигнала Start и указания адреса ведущий записывает адрес регистра, который необходимо прочитать. Далее следует сигнал Restart (или Stop, затем Start). Ведущий снова выводит адрес ведомого, но уже с битом Read (чтения). Ведомый устанавливает бит ACK и во время следующих 8-ти импульсов тактирования выводит данные на линию SDA. На девятом импульсе уже ведущий устанавливает бит ACK (или NACK, если данные не удалось прочитать) и завершает обмен сигналом Stop.

Видео:Подключение нескольких устройств, датчиков по I2C (АйТуСи) шинеСкачать

Скорость

Первоначальный стандарт I²C был реализован на скорости 100 кГц. С тех пор появились и другие реализации шины, но большинство устройств работают на этой скорости. Так же известны случаи когда скорость шины специально снижена, чтобы увеличить расстояние передачи и уменьшить чувствительность к помехам. Не все модули могут работать на сниженной скорости.

Видео:Лекция 308. Шина I2CСкачать

Интерфейс I2C и Arduino

Видео:Урок 24. Узнаём адреса устройств на шине I2CСкачать

Инструкция по использованию протокола I 2 C совместно с Arduino

Нам понадобится:

Arduino UNO или другая совместимая;
цифровой потенциометр AD5171 или другой с управлением по шине IIC;
светодиод любой (к примеру, вот из такого набора);
резистор на 220 Ом (рекомендую набор резисторов с номиналами от 10 Ом до 1 МОм);
2 резистора по 4,7 кОм (из того же набора);
макетная плата;
соединительные провода (например, вот хороший набор);
компьютер с Arduino IDE.

Видео:Шина I2CСкачать

1 Описание интерфейса I2C

Последовательный протокол обмена данными IIC (также называемый I2C – Inter-Integrated Circuits, межмикросхемное соединение) использует для передачи данных две двунаправленные линии связи, которые называются шина последовательных данных SDA (Serial Data) и шина тактирования SCL (Serial Clock). Также имеются две линии для питания. Шины SDA и SCL подтягиваются к шине питания через резисторы.

В сети есть хотя бы одно ведущее устройство (Master), которое инициализирует передачу данных и генерирует сигналы синхронизации. В сети также есть ведомые устройства (Slave), которые передают данные по запросу ведущего. У каждого ведомого устройства есть уникальный адрес, по которому ведущий и обращается к нему. Адрес устройства указывается в паспорте (datasheet). К одной шине I2C может быть подключено до 127 устройств, в том числе несколько ведущих. К шине можно подключать устройства в процессе работы, т.е. она поддерживает «горячее подключение».

Давайте рассмотрим временную диаграмму обмена по протоколу I2C. Есть несколько различающихся вариантов, рассмотрим один из распространённых. Воспользуемся логическим анализатором, подключённым к шинам SCL и SDA.

Мастер инициирует обмен. Для этого он начинает генерировать тактовые импульсы и посылает их по линии SCL пачкой из 9-ти штук. Одновременно на линии данных SDA он выставляет адрес устройства, с которым необходимо установить связь, которые тактируются первыми 7-ми тактовыми импульсами (отсюда ограничение на диапазон адресов: 2 7 = 128 минус нулевой адрес). Следующий бит посылки – это код операции (чтение или запись) и ещё один бит – бит подтверждения (ACK), что ведомое устройство приняло запрос. Если бит подтверждения не пришёл, на этом обмен заканчивается. Или мастер продолжает посылать повторные запросы.

Читайте также: Шины kumho 235 65 16с

Это проиллюстрировано на рисунке ниже. Задача такая: подключиться к ведомому устройству с адресом 0x27 и передать ему строку «SOLTAU.RU». В первом случае, для примера, отключим ведомое устройство от шины. Видно, что мастер пытается установить связь с устройством с адресом 0x27, но не получает подтверждения (NAK). Обмен заканчивается.

Попытка мастера установить соединение с ведомым по I2C

Теперь подключим к шине I2C ведомое устройство и повторим операцию. Ситуация изменилась. На первый пакет с адресом пришло подтверждение (ACK) от ведомого. Обмен продолжился. Информация передаётся также 9-битовыми посылками, но теперь 8 битов занимают данные и 1 бит – бит подтверждения получения ведомым каждого байта данных. Если в какой-то момент связь оборвётся и бит подтверждения не придёт, мастер прекратит передачу.

Временная диаграмма обмена по протоколу I2C

Видео:Установщик адресов Flash-i2cСкачать

2 Реализация I2Cв Arduino

Arduino использует для работы по интерфейсу I2C два порта. Например, в Arduino UNO и Arduino Nano аналоговый порт A4 соответствует SDA, аналоговый порт A5 соответствует SCL.

Реализация I2C в Arduino UNO и Nano

Для других моделей плат соответствие выводов такое:

Плата	Пин SDA	Пин SCL
Arduino Uno, Nano, Pro и Pro Mini	A4	A5
Arduino Mega	20	21
Arduino Leonardo	2	3
Arduino Due	20, SDA1	21, SCL1

Видео:I2C интерфейсСкачать

3 Библиотека «Wire» для работы с IIC

Для облегчения обмена данными с устройствами по шине I2C для Arduino написана стандартная библиотека Wire. Она имеет следующие функции:

Функция	Назначение
begin(address)	инициализация библиотеки и подключение к шине I2C; если не указан адрес, то присоединённое устройство считается ведущим; используется 7-битная адресация;
requestFrom()	используется ведущим устройством для запроса определённого количества байтов от ведомого;
beginTransmission(address)	начало передачи данных к ведомому устройству по определённому адресу;
endTransmission()	прекращение передачи данных ведомому;
write()	запись данных от ведомого в ответ на запрос;
available()	возвращает количество байт информации, доступных для приёма от ведомого;
read()	чтение байта, переданного от ведомого ведущему или от ведущего ведомому;
onReceive()	указывает на функцию, которая должна быть вызвана, когда ведомое устройство получит передачу от ведущего;
onRequest()	указывает на функцию, которая должна быть вызвана, когда ведущее устройство получит передачу от ведомого.

Видео:Как новичку подключать всё, собирая ФПВ квадрокоптер / FPV самолётСкачать

4 Подключение I2C устройствак Arduino

Давайте посмотрим, как работать с шиной I2C с помощью Arduino.

Сначала соберём схему, как на рисунке. Будем управлять яркостью светодиода, используя цифровой 64-позиционный потенциометр AD5171 (см. техническое описание), который подключается к шине I2C. Адрес, по которому мы будем обращаться к потенциометру – 0x2c (44 в десятичной системе).

Подключение цифрового потенциометра к Arduino по шине I2C

Видео:Подключение нескольких устройств по шине i2cСкачать

5 Управление устройством по шине IIC

Рассмотрим диаграммы информационного обмена с цифровым потенциометром AD5171, представленные в техническом описании:

Рассмотрим диаграммы чтения и записи цифрового потенциометра AD5171

Нас тут интересует диаграмма записи данных в регистр RDAC. Этот регистр используется для управления сопротивлением потенциометра.

Откроем из примеров библиотеки «Wire» скетч: Файл Образцы Wire digital_potentiometer. Загрузим его в память Arduino.

После включения вы видите, как яркость светодиода циклически нарастает, а потом гаснет. При этом мы управляем потенциометром с помощью Arduino по шине I2C.

По ссылкам внизу статьи, в разделе похожих материалов (по тегу), можно найти дополнительные примеры взаимодействия с различными устройствами по интерфейсу IIC, в том числе примеры чтения и записи.

Видео:PT2257, Электронный регулятор громкости с шиной I2CСкачать