Осциллограмма сигнала sda шины i2c осциллограмма

Как я уже неоднократно упоминал в своих публикациях, любительские проекты финансируются из семейного бюджета, и радиолюбитель, обычно, не может себе позволить покупку дорогостоящего измерительного оборудования. Приходится довольствоваться тем, что есть. Или тем, что удаётся взять попользоваться «на время». А иногда от безысходности радиолюбителю приходится «сверлить пилой и пилить буравчиком».

Недавно я испытал потребность выяснить, что на самом деле передаётся в разрабатываемом мной устройстве по шине I2C. Это был тот счастливый момент, когда можно было себе позволить «пилить пилой».

Как происходит обмен данными между устройствами по протоколу I2C можно узнать здесь. Для анализа сигналов на шине I2C можно применить, как цифровой двухканальный осциллограф с памятью, так и логический анализатор.

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

Цифровой двухканальный осциллограф с памятью

При работе с радиоэлектронной аппаратурой осциллограф является наиболее универсальным инструментом. Современные цифровые осциллографы обладают рядом полезных свойств, позволяющих производить, в том числе, и анализ сигналов шины I2C.

В данном случае мне достался «на время» цифровой двухканальный осциллограф с памятью Rigol DS1102 (цена на сайте производителя $461). У этого прибора есть два канала измерения с полосой пропускания до 100 MHz и частотой выборки сигнала 1 GSa/s.

К сигналу SCL был подключен CH1. К сигналу SDA был подключен CH2. Для обоих каналов был установлен масштаб 1.00 V/дел. Масштаб развёртки – 10 us/дел. Для наглядности луч первого канала смещён в верхнюю половину экрана, а луч второго канала – в нижнюю.

В меню Trigger осциллограф был настроен на однократное измерение с запуском по достижению передним фронтом в канале CH1 уровня 1.00 V:

После включения тестируемого оборудования была нажата большая красная кнопка Run/Stop. Осциллограф встал в режим ожидания, затем запустился. Через несколько секунд запись была остановлена вручную.

Полученная осциллограмма записывалась на внешний носитель поэкранно:

Произведём разбор записанных сигналов. На первом экране мы видим отображение настроек прибора и осциллограмму сигналов SCL (верхняя часть) и SDA (нижняя часть экрана), на которой читаем слева направо:

• сигнал START: ведущее устройство выставляет низкий уровень сначала на шине SDA, а затем на шине SCL;
• 7-bit адрес: читаем 0x60 (1100000) на шине SDA по передним фронтам SCL;
• признак режима записи: читаем на шине SDA низкий уровень по следующему переднему фронту SCL;
• сигнал ACK: ведущее устройство после передачи байта переключается на приём по шине SDA, на SDA устанавливается высокий уровень, ведомое устройство по заднему фронту SCL выставляет на SDA низкий уровень (собственно, сигнал ACK), который ведущее устройство считывает по переднему фронту SCL;
• сигнал STOP: ведущее устройство выставляет высокий уровень сначала на шине SCL, а затем на шине SDA

Подобным образом, медленно, но верно, можно произвести вручную дешифровку остальных частей записи.

Видео:Лекция 308. Шина I2CСкачать

Логический анализатор цифровых сигналов

Дешифрацию протокола можно произвести более простым методом, используя логический анализатор и соответствующее программное обеспечение.

Для использования в качестве логического анализатора мне был любезно предоставлен коллегами Saleae Logic 8 (цена на сайте производителя $399). В качестве программного обеспечения использовалась демо-версия Saleae Logic 1.2.18, взятая с официального сайта. Устанавливая данное программное обеспечение, я принял лицензионное соглашение с условием, в том числе, не использовать данное программное обеспечение с оборудованием сторонних производителей.

В программе был включен анализатор протокола I2C. Для сигнала SCL был назначен канал CH0, а для сигнала SDA – канал CH1. Частота выборки сигнала 24 MSa/s.

Запуск был настроен по «переднему» фронту CH0. Для отображения данных был выбран шестнадцатеричный формат.

После включения тестируемого оборудования была нажата большая зелёная кнопка Start, и через несколько секунд на экран вывелась диаграмма:

Максимум пользы в применении логического анализатора я вижу в том, что программа сама дешифрует полученные данные. Результаты дешифровки заносятся построчно в окно Decoded Protocols. При выборе в окне строки данных, программа показывает расположение этих данных на диаграмме.

Видео:Логический анализатор шины i2cСкачать

Цифровой осциллограф vs логический анализатор

Для сравнения вариантов я «склеил» в графическом редакторе четыре снимка экрана осциллографа и фрагмент диаграммы логического анализатора:

Start обозначен зеленым кружочком, Stop – красным кружочком. На диаграмме сначала происходит проверка наличия на шине устройства с адресом 0x60, а затем производится запись в регистр 0xB7 этого устройства значения 0x80.

Если подходить к сравнению вариантов «с пристрастием», то можно заметить, что на диаграмме логического анализатора (частота выборки 24 MSa/s) присутствует «джиттер» сигнала SCL, которого нет, как такового, на осциллограмме с частотой выборки 1 GSa/s. В остальном картина совпадает, а логическим анализатором ещё и производится правильная дешифрация данных в автоматическом режиме.

При выборе «или-или» в «сухом остатке» имеем, в случае осциллографа, дорогое универсальное устройство, не такое удобное для анализа шины, как логический анализатор, но за сопоставимые с ним деньги. В этих условиях лично я, как инженер «старой закалки», приобрёл бы цифровой осциллограф.

Однако, если бы существовало программное обеспечение с лицензионным соглашением, позволяющим использование недорогих клонов популярных логических анализаторов, типа Saleae Logic 8 или DSLogic Plus…

Видео:SPI шина на осциллографеСкачать

И такое программное обеспечение существует

Недорогие клоны популярных логических анализаторов, и не только их, поддерживает программное обеспечение open source проекта sigrok.

Было собрано рабочее место:

После чего начались «танцы с бубном». На Windows 10 запустилась только 32-разрядная версия PulseView. Наличие в системе недорогого китайского клона Saleae Logic (цена на сайте продавца $7) она не определила.

После этого, в Zadig для устройства Logic были установлены драйверы WinUSB, и после повторного сканирования оно определилось в Zadig, как устройство fx2latw:

Читайте также: Шиной крамера или дитерихса

После этого для устройства fx2latw в Zadig снова были установлены драйверы WinUSB, и только после этого PulseView увидела в списке устройство «Saleae Logic». Устройство было подключено.

После подключения устройства были произведены следующие настройки программы (слева направо по панели инструментов, начиная с надписи «Saleae Logic»):

• выставлено Pre-trigger capture ratio = 2% по нажатию кнопки с ключом и отвёрткой;
• отключены лишние входы по нажатию кнопки с красным щупом;
• выставлен объем записи 100 К выборок;
• выставлена частота выборки 24 MHz;
• включен анализатор протокола I2C по нажатию кнопки с жёлто-зелёным значком.

Далее в панели слева от каналов:

• каналам присвоены соответствующие сигналам текстовые метки;
• условием запуска назначен задний фронт сигнала SDA;
• сигналам I2C назначены соответствующие каналы.

После включения тестируемого оборудования была нажата кнопка Run. Получен уже знакомый результат:

Похоже, «танцы с бубном» того стоили!

UPD: После ручной установки в Диспетчере устройств для устройства USB Logic драйвера libusb-win32 программа PulseView начала стабильно определять наличие в системе «Saleae Logic» без манипуляций с Zadig.

Краткие выводы:

В статье была описана методика проведения анализа сигналов шины I2C с помощью цифрового осциллографа с памятью и логических анализаторов с пакетами прикладного программного обеспечения.

Универсальным методом анализа сигналов, но недешёвым и небыстрым, является применение цифрового осциллографа с памятью.

Быстрым и бюджетным методом анализа сигналов, но с нетривиальной задачей подключения оборудования, является применение недорогого клона логического анализатора в связке с PulseView.

Буду рад, если своей публикацией помог сэкономить читателям время и деньги.

В следующей публикации расскажу, как измерял частоту, на которой запустился кварцевый резонатор в синтезаторе частоты, без частотомера. Но это уже другая история…

Видео:Двухканальный Осциллограф-пробник в диагностике автомобиля. Нужен ли он?Скачать

Электроника для всех

Видео:Работа с логическим анализатором цифровой шины данныхСкачать

Блог о электронике

Видео:Осциллограф+Генератор сигналов Fnirsi DSO153Скачать

Интерфейсная шина IIC (I2C)

Один из моих самых любимых интерфейсов. Разработан в компании Philips и право на его использование стоит денег, но все на это дружно положили и пользуют в свое удовольствие, называя только по другому. В Atmel его зовут TWI , но от этого ничего не меняется ? Обычно при разборе IIC во всех книгах ограничиваются примером с EEPROM на этом и ограничиваются. Да еще юзают софтверный Master. Не дождетесь, у меня будет подробный разбор работы этой шины как в режиме Master так и Slave, да еще на аппаратных блоках с полным выполнением всей структуры конечного автомата протокола. Но об этом после, а сейчас основы.

Физический уровень.
Данные передаются по двум проводам — провод данных и провод тактов. Есть ведущий (master) и ведомый (slave), такты генерирует master, ведомый лишь поддакивает при приеме байта. Всего на одной двупроводной шине может быть до 127 устройств . Схема подключения — монтажное И

Передача/Прием сигналов осуществляется прижиманием линии в 0 , в единичку устанавливается сама, за счет подтягивающих резисторов . Их ставить обязательно всегда ! Стандарт! Резисторы на 10к оптимальны. Чем больше резистор, тем дольше линия восстанавливается в единицу (идет перезаряд паразитной емкости между проводами) и тем сильней заваливаются фронты импульсов, а значит скорость передачи падает. Именно поэтому у I 2 C скорость передачи намного ниже чем у SPI . Обычно IIC работает либо на скорости 10кбит/с — в медленном режиме, либо на 100кбит/с в быстром. Но в реальности можно плавно менять скорость вплоть до нуля.
Ни в коем случае нельзя переключать вывод микроконтроллера в OUT и дергать ногу на +5. Можно запросто словить КЗ и пожечь либо контроллер либо какой-нибудь девайс на шине. Мало ли кто там линию придавит.

Вся передача данных состоит из Стартовой посылки , битов и стоповой посылки . Порядок изменения уровня на шинах задает тип посылки.

После старта передача одного бита данных идет по тактовому импульсу. То есть когда линия SCL в нуле master или slave выставляют бит на SDA (прижимают — если 0 или не прижимают — если 1 линию SDA ) после чего SCL отпускается и master/slave считывают бит. Таким образом, у нас протокол совершенно не зависит от временных интервалов , только от тактовых битов. Поэтому шину I 2 C очень легко отлаживать — если что то не так, то достаточно снизить скорость до байта в минуту и спокойно, обычными вольтметрами, смотреть что у нас происходит. Правда это не прокатит с железным I 2 C , там нет таких низких скоростей. Но что нам мешает затактовать микроконтроллер от ОЧЕНЬ медленного тактового генератора и отладить все по шагам? ?

Повторим для ясности:

То есть, изменение на шине данных в момент приема данных может быть только при низком уровне на SCL . Когда SCL вверху то идет чтение. Если же у нас SDA меняется при высоком SCL , то это уже служебные команды START или STOP .

Если Slave торомоз и не успевает (у EEPROM, например, низкая скорость записи), то он может насильно положить линию SCL в землю и не давать ведущему генерировать новые такты . Мастер должен это понять и дать слейву прожевать байт. Так что нельзя тупо генерить такты, при отпускании SCL надо следить за тем, что линия поднялась. Если не поднялась, то надо остановиться и ждать до тех пор, пока Slave ее не отпустит. Потом продолжить с того же места.

Логический уровень
Как передаются отдельные биты понятно, теперь о том что эти биты значат. В отличии от SPI тут умная адресная структура. Данные шлются пакетами, каждый пакет состоит из девяти бит. 8 данных и 1 бит подтверждения/не подтверждения приема.

Первый пакет шлется от ведущего к ведомому это физический адрес устройства и бит направления .
Сам адрес состоит из семи бит (вот почему до 127 устройств на шине), а восьмой бит означает что будет делать Slave на следующем байте — принимать или передавать данные . Девятым битом идет бит подтверждения ACK . Если Slave услышал свой адрес и считал полностью, то на девятом такте он придавит линию SDA в 0, сгенерировав ACK — то есть Понял! Мастер, заметя это, понимает, что все идет по плану и можно продолжать. Если Slave не обнаружился, прозевал адрес, неправильно принял байт, сгорел или еще что с ним случилось, то, соответственно, SDA на девятом такте будет прижать некому и ACK не получится. Будет NACK . Мастер с горя хлопнет водки и прекратит свои попытки до лучших времен.

После адресного пакета идут пакеты с данными в ту или другую сторону, в зависимости от бита RW в заголовочном пакете.
Вот, например, Запись. В квадратиках идут номера битов. W=0

Чтение практически также, но тут есть одна тонкость из-за которой я когда то убил кучу времени. При приеме последнего байта надо дать ведомому понять, что в его услугах больше не нуждаемся и отослать NACK на последнем байте. Если отослать ACK то после стопа Master не отпустит линию — такой уж там конечный автомат. Так что прием двух байтов будет выглядеть так (R=1):
Есть еще одно состояние, как повторный старт .
Это когда мы не обьявляя STOP вкатываем на шину еще один START . После него мы можем обратиться к другому устройству не освобождая шину. Но чаще идет обращение к тому же самому устройству и это связано с особенностями организации памяти.

Организация памяти.
Это относится уже не столько к самому протоколу I 2 C , сколько к заморочкам создателей разных EEPROM и прочих I 2 C устройств. Но встречается это повсеместно, поэтому я расскажу про этот момент. Но, повторюсь, это не аксиома, не стандарт и вообще зависит от конкретного Slave устройства. Так что датит в зубы и вкуривать, но обычно так принято.

Итак, о чем речь.
Как видно из протокола, в первом байте мы адресовываем само устройство , а их может быть до 127 штук. Но в самом устройстве вполне может быть очень сложная структура, с кучей ячеек. Например EEPROM с килобайтами данных внутри. Как обращаться с этими данными? Не считывать же все по очереди от нуля до конца — это долго. Поэтому приняли хитрый формат. Это не стандарт, но юзается повсеместно.

Поясню на примере:
Есть микросхема часов реального времени PCF8583 (я про нее еще напишу, следите за обновлениями), общающася по протоколу I 2 C . Внутри нее ячейки памяти, в которых хранятся часы, минуты, секунды, дата, состояние флагов и куча еще всего. До кучи там еще 240 байт просто так, для свободного пользования. Карта адресов этой микросхемы выглядит так:

И вот надо мне установить дату. Для этого надо мне записать две ячейки памяти с адресами 0х05 и 0x06 . Как это сделать? Из даташита я узнаю, что первый байт данных это адрес куда мы будем обращаться, а потом уже идут данные и со следующим байтом счетчик адреса увеличивается на 1. Там же, в даташите, написано что эти часы откликаются на Slave-адрес 1010000х где х — состояние ноги А0 микросхемы . Я эту ногу сразу посадил на 0 так что Slave-адрес у меня 10100000. Очевидно, что на одной шине может быть не более двух экземпляров этой микросхемы с адресами 10100000 и 10100001.

Задача решается так:
Вот и славно. Часы установлены и начали тикать. Но вот надо нам считать те же данные, а вдруг изменились?
С записью все понятно — записали вначале адрес, а потом следом записали данные. А умная микросхема все прекрасно поняла и рассовала по ячейкам. А с чтением? А с чтением все через задницу, в смысле через запись.

То есть, мы, вначале, записываем один байт — адрес. Потом делаем повторный старт, затем снова обращаемся к часам по ее Slave-адресу , но уже с битом R , на чтение. И умная микруха выдает нам байты с адреса который мы в нее вот только что записали. Выглядит это так:
В этих часах так, у других микрух может быть все по другому, но в 99% очень похоже. Адрес, например, может быть двухбайтным или страницу надо будет указать, но сути это не меняет. Цепочка запись-повстарт-чтение это повсеместно.
Вот так, кстати, выглядит чтение данных из часов PCF8583 на экране моего логического анализатора. Тут не полная посылка (все 5 байт просто не влезли в экран), но тут четко видно запись начального адреса, потом повторный старт, и чтение из девайса.

Скриншот с осциллографа RIGOL 1042CD

Арбитраж шины I 2 C.
Почему то все мануалы для начинающих в которых рассматривалась тема протокола IIC как то ссыкливо замалчивают возможность работы двух ведущих на линии. Master-Slave и все тут. А если у нас демократия? И каждый сам себе Master и сам себе Slave ? Согласен, редкий случай, но тем не менее, описывать так описывать. Короче, в случае подобного садо-мазо варианта действует железное правило — кто раньше встал того и тапки. В смысле кто первый начал вещать тот и текущий Master .
Но вот случилось вообще невероятное — два Ведущих начали вещать одновременно . Прям совсем одновременно. Как быть? А тут нам поможет свойство монтажного И — где против лома нуля нет приема. Короче, оба мастера бит за битом играют в простую игру ножик-камень(1 и 0 соответственно). Кто первый выкинет камень против ножика тот и побеждает арбитраж, продолжая вещать дальше. Так что очевидно, что самый важный адрес должен начинаться с нулей, чтобы тот кто к нему пытался обращаться всегда выигрывал арбитраж. Проигравшая же сторона вынуждена ждать пока шина не освободится.

Вроде бы все, практический пример с AVR будет потом, а пока помедитируйте над диаграммой работы конечного автомата TWI передатчика ATmega8. Скоро я вас буду этим грузить!

Страшна? ? На самом деле там все не так брутально. Можно обойтись вообще парой десятков строк кода на ассемблере.

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

Видео:Осциллограф Tektronix MSO44 | Декодировка I2CСкачать

200 thoughts on “Интерфейсная шина IIC (I2C)”

(1) OpenID работает криво. Я зашёл как blacklion.livejournal.com и всё равно справа-сверху «войти» (а не «выйти») и не даю комментировать. Пришлось регистрироваться и теперь тут два меня.

(2) Софтового мастера сделать не сложно. А вот слейва как-то просто не получается.

Щас попробую с опен ид поиграться.

Более того, многие предпочитают делать софтовый И2С мастер чтобы не заморачиваться с встроенным в TWI конечным автоматом.

Более того, многие предпочитают делать софтовый И2С мастер чтобы не заморачиваться с встроенным в TWI конечным автоматом.
Я когда первый раз подходил к электронике смотрел на PIC (зачем я это делал!? Зачем на PIC?!) так реализовал мастера в качестве упражнения за вечер. А вот слейва так и не осилил…

Я сделал софтового слейва на AT89C2051, но работало жутко медленно.

плюсадин. я уже раз 5 жаловался что логины глючат ? нашел выход, что залогинился, пару минуток подождал и рефреш. работает, но бесит :\

DI HALT спасибо за статью. Давно ждал рассказ про I2C. ?

Могу поделицца опытом работы конкретно с DS1307. Он, сука, еще тот глючный девайс. Вроде просто, но не все просто. ПРопиши бит СН, запусти часы, не забудь про бит снова, ой а чо горим — а мы забыли Vbat на землю положить…

У меня их почти полный аналог ICL12008 ваще работать не хотят — не отзываются на свой адрес, не дают ACK

и у тебя, Брут? я изъебался с их инициализацией — не пашут и все. взял ds, который считал сгоревшим и не рабочим, по по недоразумению не выкинул — и он заработал. в топку эти ISL, от лукавого они..

А у меня 5 штук их лежит — сэмплы. Надо бы в ST гневный мессадж накатать. МОл чо вы за говно нам подсунули?

Да, есть такое дело ? Вообще при начале работы с IIC девайсом, желательно вдоль и поперек изучить Datasheet к нему. В свое время тоже поломал голову с m41 от ST. Вроде все пишется, все читается, но часы стоят и все тут. Оказалось там есть хитрый битик, который при пропадании всего питания — Vcc и Vbat, останавливает часы и пока его не сбросишь они не пойдут.
Ну и еще обычный прикол с часами, что не все могут работать при отключенной батарейке — даже если Vcc есть, внутри у них стоит контроль, который проверяет разницу между напругой и Vbat, и если Vbat нет, то часы просто ни на что не отвечают ?

p.s. а про NACK в конце чтения это да, самые популярные грабли наверно. Кстати для отлаживания шины если нет крутого осцила, можно прикрутить I2C Sniffer на Atmega8 — оч удобная штука, она в консоли показывает полностью весь обмен в удобоваримом виде.

А чё с ним было голову ломать? Кстати, m41t56 рекомендую, простые и удобные I2C часы. Про битик я давно знал — он у всех часовых изделий от ST присутствует. Наверное, как совместимость с m48t08 — который с батареей на борту. Чтобы батарею не сажать, пока таймкипер лежит на складе, они глушат часы.

О)) На самом деле классная тема! Мне бы сначала с простым UARTом разобраться, а потом только к творению Philips)) Буду ждать исходников…

Отличная статья! А есть последняя диаграмма только в чуть лучшем качестве? А то буквы трудно различить.

Красные пути — нормальная работа
Синие — возможные косяки.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/ostsillogramma-signala-sda-shiny-i2c-ostsillogramma

  📹 Видео

  Обзор осциллографа 3в1: FNIRSI DSO - TC3 c транзистор тестером, генератором сигналов и пробникомСкачать

  

  Цифровой осциллограф Hantek DSO2D15. ОбзорСкачать

  

  25 Шина I2CСкачать

  

  Работа с цифровым осциллографом (освоившим только кнопку AUTO посвящается ;)Скачать

  

  Fnirsi 2C23T: мультиметр + осциллограф + генератор сигналовСкачать

  

  FNIRSI 2C23T Осциллограф, Мультиметр, Генератор в одном флаконе.Скачать

  

  Обзор недорогих китайских осциллографов Нужны ли ониСкачать

  

  Как безопасно использовать осциллографСкачать

  

  Работа с цифровым осциллографом для начинающих 2Скачать

  

  ЕЩЕ НЕДАВНО О ТАКОМ ОСЦИЛЛОГРАФЕ МОЖНО БЫЛО ТОЛЬКО МЕЧТАТЬ, FNIRSI-1014DСкачать

  

  Осциллограф, мультиметр и генератор FNIRSI 2C23T. Честный обзор.Скачать