Инструкция по использованию протокола I²C совместно с Arduino

Нам понадобится:

• Arduino UNO или другая совместимая;
• цифровой потенциометр AD5171 или аналогичный 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.

1Описание 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: 2⁷ = 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.

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.

2Реализация 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.

Для других моделей плат соответствие выводов такое:

3Библиотека "Wire" для работы с IIC

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

4Подключение 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 (техническое описание можно скачать в конце статьи), который подключается к шине I2C. Адрес, по которому мы будем обращаться к потенциометру – 0x2C (44 в десятичной системе).

5Управление устройством по шине IIC

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

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.

#include <Wire.h> // подключаем библиотеку "Wire"
byte val = 0; // значение для передачи потенциометру

void setup() {
  Wire.begin();   // подключаемся к шине I2C как мастер
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(44); // начинаем обмен с устройством с I2C адресом "44" (0x2C)
  Wire.write(byte(0x00)); // посылаем инструкцию записи в регистр RDAC
  Wire.write(val); // задаём положение 64-позиционного потенциометра
  Wire.endTransmission(); // завершаем I2C передачу

  val++; // инкрементируем val на 1
  if (val == 63) { // по достижении максимума потенциометра
    val = 0; // сбрасываем val 
  }
  delay(500);
}

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.

6Дополнительно о шине I2C

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