Arduino i2c протокол

Содержание

Интерфейсная шина I²C/Библиотека Wire

I²C (IIC, англ. Inter-Integrated Circuit) — последовательная асимметричная шина для связи между интегральными схемами внутри электронных приборов.

Шина I2C также известна как двухпроводной интерфейс (Two Wire Interface, TWI) — простое и удобное устройство, используемое для обмена данными. Сам протокол был предложен фирмой Philips, но во избежание проблем с авторскими правами иногда протокол называют «двухпроводным».

Передача данных между устройствами и Arduino осуществляется по двум линиям, которые называют линией данных (Serial Data Line, SDA) и тактовой линией синхронизации сигнала (Serial Clock Line, SCL). В Arduino Uno вывод SDA находится на A4, а линия SCL — на контакте A5. Некоторые новейшие платы R3 имеют отдельные контакты, соединённые с шиной I2C и расположенные в верхнем левом углу для удобства доступа к ним. При подключении требуется установка подтягивающих резисторов. Обычно используют резисторы номиналом 4.7 кОм.

Будучи подключённой к шине I2C, плата Arduino считается ведущим устройством, а все остальные устройства — ведомыми. Каждое ведомое устройство имеет свой адрес (идентификационный номер) — шестнадцатеричное число, — позволяющий плате Arduino обращаться и взаимодействовать с каждым устройством по отдельности. Обычно устройство имеет на выбор диапазон адресов I2C, который указан в документации к нему. Конкретные доступные адреса определяются подключением контактов IC тем или иным образом.

Ведущее устройство (Uno) отвечает за инициирование обмена. Ведомые устройства не могут инициировать обмен данных, а только отвечают на запросы от ведущего устройства.

Библиотека Wire

Библиотека Wire входит в состав Arduino и используется для работы с шиной I2C.

В скетче сначала необходимо активировать библиотеку, затем в setup() активировать шину.

Поскольку как правило плата Arduino действует как ведущее устройство, ей не нужно присваивать адрес. Если бы плата настраивалась на работу в режиме ведомого устройства, нам пришлось бы присвоить адрес в диапазоне от 0 до 127, передав его как параметр, чтобы уникально идентифицировать плату на шине I2C.

Передача данных по шине осуществляется по одному байту. Чтобы послать байт из платы Arduino в устройство на шине, необходимо вызвать три функции:

Первая функция инициализирует связь, как показано ниже (где аргумент address — это адрес ведомого устройства на шине в шестнадцатеричном виде, например 0x50):
Вторая функция посылает 1 байт данных из Arduino в устройство с адресом, указанным в предыдущем вызове функции. Здесь аргумент data — это переменная, содержащая 1 байт данных; вы можете послать несколько байтов, но для каждого байта придётся вызвать Wire.write():
По завершении передачи данных определённому устройству следует разорвать связь:

Чтобы запросить данные из устройства на шине I2C, инициализируйте связь вызовом Wire.beginTransmission(address) и отправьте запрос Wire.requestFrom(address, x), (где x — количество запрашиваемых байтов данных). Затем с помощью следующей функции нужно сохранить принятый байт в переменной:

По окончании приёма следует разорвать связь вызовом Wire.endTransmission().

Методы библиотеки

begin()

Инициализация библиотеки Wire и подключение к шине I2C в качестве ведущего или ведомого устройства. Как правило, вызывается только один раз.

Параметры

address: 7-битный адрес устройства (если работаем в режиме ведомого). Если не указано, то контроллер подключается к шине в роли ведущего (master).

Возвращаемое значение

Не возвращает значений

requestFrom()

Используется ведущим устройством для запроса байта от ведомого устройства. Байты могут быть получены с помощью методов available() и read().

Параметры

address: 7-битный адрес устройства для запроса байтов данных
quantity: количество запрошенных байт

Возвращаемое значение

Возвращает число считанных байт.

beginTransmission()

Начало передачи I2C для ведомого устройства с заданным адресом. Затем, нужно вызвать метод write() для добавления последовательности байт в очередь предназначенных для передачи, и выполнить саму передачу данных методом endTransmission().

Параметры

address: 7-битный адрес устройства для передачи.

Возвращаемое значение

Не возвращает значений

endTransmission()

Завершает передачу данных для ведомого устройства, которое было начато beginTransmission() и, фактически, осуществляет передачу байт, которые были поставлены в очередь методом write().

Параметры

Возвращаемое значение

Возвращает байт, который указывает статус передачи:

0: успех
1: данных слишком много и они не помещается в буфер передачи/размер буфера задаётся определением #define BUFFER_LENGTH 32
2: получили NACK на передачу адреса
3: получили NACK на передачу данных
4: другая ошибка

write()

Записывает данные от ведомого устройства в ответ на запрос мастера, или записывает очередь байт для передачи от мастера к ведомому устройству (в промежутках между вызовами beginTransmission() и endTransmission()).

Примеры

Параметры

value: значение для отправления как единичный байт
string: строка для отправления как последовательность байт
data: массив байт для отправления
length: число байт для передачи

Возвращаемое значение

Возвращает число записанных байт.

available()

Метод available() наследуется от класса Stream. Возвращает количество байт, доступных для получения. Этот метод должно быть вызван на мастере, после вызова requestFrom() или ведомым внутри обработчика onReceive().

Параметры

Возвращаемое значение

Число байт, доступных для чтения.

Метод read() наследуется от класса Stream. Считывает байт, который был передан от ведомого устройства к мастеру, после вызова requestFrom() или был передан от мастера к ведомому.

Параметры

Возвращаемое значение

Следующий полученный байт.

Регистрирует функцию, которая вызывается, когда ведомое устройство получает данные от мастера.

Параметры

function: функция, которая вызывается, когда ведомый получает данные; обработчик должен принимать один параметр — int (число байт, считанных от мастера) и ничего не возвращать. Например:
void MyHandler (int numBytes);

Возвращаемое значение

Не возвращает значений

onRequest()

Регистрирует функцию, которая вызывается, когда мастер запрашивает данные из этого ведомого устройства.

Параметры

function: функция, которая будет вызываться; не имеет параметров и ничего не возвращает. например:
void MyHandler();

Возвращаемое значение

Не возвращает значений

Узнать адрес

В примерах, где используется I2C, важно использовать правильный адрес. Если у вас устройство, чей адрес вы не знаете, то можете воспользоваться библиотекой i2cdetect, доступный через менеджер библиотек. После установки библиотеки запустите прилагаемый к нему пример и через последовательный монитор увидите нужный адрес.

Также можно запустить собственный скетч.

Проверил на ЖК-экране, чей адрес обычно 0х27.

Источник

Интерфейс I2C и Arduino

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.

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».

Описание интерфейса I2C

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.

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

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

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.

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

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.

6 Дополнительно о шине I2C

Доступно и интересно рассказывает о шине I2C Джереми Блюм в своём видео:

Источник