Каждый, кто занимался разработкой радиоэлектронной техники, сталкивался с ситуацией, когда для соглассвания уровней сигналов, выборки и адресации функционально-законченных узлов, приходится использовать огромное количество промежуточных ИС.
Для увеличения эффективности, упрощения схемотехнических решений, Philips разработала простую двунаправленную двухпроводную шину для так называемого "межмикросхемного" (inter-IC) управления.
Шина получила название - InterIC, или IIC (I2C) шина.

В настоящее время только Philips производит более 150 наименований I2C-совместимых устройств, функционально предназначенных работы в электронном оборудовании различного назначения. В их числе ИС памяти, видеопроцессоров и модулей обработки аудио- и видео-сигналов, АЦП и ЦАП, драйверы ЖК-индикаторов, процессоры со встоенным аппаратным контроллером I2C шины и многое другое.

I2C шина является одной из модификаций последовательных протоколов обмена данных. В стандартном режиме обеспечивается передача последовательных 8-битных данных со скоростью до 100 кбит/с, и до 400 кбит/с в "быстром" режиме. Для осуществления процесса обмена информацией по I2C шине, используется всего два сигнала линия данных SDA линия синхронизации SCL Для обеспечения реализации двунаправленности шины без применения сложных арбитров шины выходные каскады устройств, подключенных к шине, имеют открытый сток или открытый коллектор для обеспечения функции монтажного "И".

Простая двухпроводная последовательная шина I2C минимизирует количество соединения между ИС, ИС имеют меньше контактов и требуется меньше дорожек. Как результат - печатные платы становятся более простыми и технологичными при изготовлении. Интегрированный I2C-протокол устраняет необходимость в дешифраторах адреса и другой внешней логике согласования.

Максимальное допустимое количество микросхем, подсоединённых к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины 400 пФ.

Встроенный в микросхемы аппаратный алгоритм помехоподавления обеспечивает целостность данных в условиях помех значительной величины.
Все I2C-совместимые устройства имеют интерфейс, который позволяет им связываться друг с другом по шине даже в том случае, если их напряжение питания существенно отличается. На следующем рисунке представлен принцип подключения нескольких ИМС с различными напряжениями питания к одной шине обмена.

Каждое устройство распознается по уникальному адресу и может работать как передатчик или приёмник, в зависимости от назначения устройства.

Кроме того, устройства могут быть классифицированы как ведущие и ведомые при передаче данных. Ведущий - это устройство, которое инициирует передачу данных и вырабатывает сигналы синхронизации. При этом любое адресуемое устройство считается ведомым по отношению к ведущему.

Исходя из спецификации работы шины, в каждый отдельный момент в шине может быть только один ведущий, а именно то устройство, которое обеспечивает формирование сигнала SCL шины. Ведущий может выступать как в роли ведущего-передатчика, так и ведущего-приемника. Тем не менее - шина позволяет иметь несколько ведущих, накладывая определенные особенности их поведения в формировании сигналов управления и контроля состояния шины. Возможность подключения более одного ведущего к шине означает, что более чем один ведущий может попытаться начать пересылку в один и тот же момент времени. Для устранения "столкновений", который может возникнуть в данном случае, разработана процедура арбитража - поведения ведущего при обнаружении "захвата" шины другим ведущим.

Процедура синхронизации двух устройств Эта процедура основана на том, что все I2C-устройства подключаются к шине по правилу монтажного И. В исходном состоянии оба сигнала SDA и SCL находятся в высоком состоянии.

Состояние СТАРТ и СТОП

Процедура обмена начинается с того, что ведущий формирует состояние СТАРТ - ведущий генерирует переход сигнала линии SDA из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ при ВЫСОКОМ уровне на линии SCL. Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к шине как признак начала процедуры обмена.

Генерация синхросигнала - это всегда обязанность ведущего; каждый ведущий генерирует свой собственный сигнал синхронизации при пересылке данных по шине.

Процедура обмена завершается тем, что ведущий формирует состояние СТОП - переход состояния линии SDA из низкого состояния в ВЫСОКОЕ при ВЫСОКОМ состоянии линии SCL.

Состояния СТАРТ и СТОП всегда вырабатываются ведущим. Считается, что шина занята после фиксации состояния СТАРТ. Шина считается освободившейся через некоторое время после фиксации состояния СТОП.

При передаче посылок по шине I2C каждый ведущий генерирует свой синхросигнал на линии SCL.

После формирования состояния СТАРТ, ведущий опускает состояние линии SCL в НИЗКОЕ состояние и выставляет на линию SDA старший бит первого байта сообщения. Количество байт в сообщении не ограничено.

Спецификация шины I2C разрешает изменения на линии SDA только при НИЗКОМ уровне сигнала на линии SCL.

Данные действительны и должны оставаться стабильными только во время ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса.

Для подтверждения приема байта от ведущего - передатчика ведомым - приемником в спецификации протокола обмена по шине I2C вводится специальный бит подтверждения, выставляемый на шину SDA после приема 8 бита данных.

Подтверждение

Таким образом передача 8 бит данных от передатчика к приемнику завершаются дополнительным циклом (формированием 9-го тактового импульса линии SCL), при котором приемник выставляет низкий уровень сигнала на линии SDA, как признак успешного приема байта.

Подтверждение при передаче данных обязательно. Соответствующий импульс синхронизации генерируется ведущим. Передатчик отпускает (ВЫСОКОЕ) линию SDA на время синхроимпульса подтверждения. Приёмник должен удерживать линию SDA в течение ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса подтверждения в стабильном НИЗКОМ состоянии.

В том случае, когда ведомый-приёмник не может подтвердить свой адрес (например, когда он выполняет в данный момент какие-либо функции реального времени), линия данных должна быть оставлена в ВЫСОКОМ состоянии. После этого ведущий может выдать сигнал СТОП для прерывания пересылки данных.

Если в пересылке участвует ведущий-приёмник, то он должен сообщить об окончании передачи ведомому-передатчику путем не подтверждения последнего байта. Ведомый-передатчик должен освободить линию данных для того, чтобы позволить ведущему выдать сигнал СТОП или повторить сигнал СТАРТ.

Синхронизация выполняется с использованием подключения к линии SCL по правилу монтажного И.

Это означает, что ведущий не имеет монопольного права на управление переходом линии SCL из НИЗКОГО состояния ВЫСОКОГО. В том случае, когда ведомому необходимо дополнительное время на обработку принятого бита, он имеет возможность удерживать линию SCL в низком состоянии до момента готовности к приему следующиго бита. Таким образом, линия SCL будет находиться в НИЗКОМ состоянии на протяжении самого длинного НИЗКОГО периода синхросигналов.

Устройства с более коротким НИЗКИМ периодом будут входить в состояние ожидания на время, пока не кончится длинный период. Когда у всех задействованных устройств кончится НИЗКИЙ период синхросигнала, линия SCL перейдет в ВЫСОКОЕ состояние. Все устройства начнут проходить ВЫСОКИЙ период своих синхросигналов. Первое устройство, у которого кончится этот период, снова установит линию SCL в НИЗКОЕ состояние. Таким образом, НИЗКИЙ период синхролинии SCL определяется наидлиннейшим периодом синхронизации из всех задействованных устройств, а ВЫСОКИЙ период определяется самым коротким периодом синхронизации устройств.

Механизм синхронизации может быть использован приемниками как средство управления пересылкой данных на байтовом и битовом уровнях.

На уровне байта, если устройство может принимать байты данных с большой скоростью, но требует определенное время для сохранения принятого байта или подготовки к приему следующего, то оно может удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии после приема и подтверждения байта, переводя таким образом передатчик в состояние ожидания.

На уровне битов, устройство такое как микроконтроллер без встроенных аппаратных цепей I2C или с ограниченными цепями может замедлить частоту синхроимпульсов путем продления их НИЗКОГО периода. Таким образом скорость передачи любого ведущего адаптируется к скорости медленного устройства.

Адресация в шине I2C

Каждое устройство, подключённое к шине, может быть программно адресовано по уникальному адресу.

Для выбора приемника сообщения ведущий использует уникальный адресную компоненту в формате посылки. При использовании однотипных устройств, ИС часто имеют дополнительный селектор адреса, который может быть реализован как в виде дополнительных цифровых входов селектора адреса, так и в виде аналогового входа. При этом адреса таких однотипных устройств оказываются разнесены в адресном пространстве устройств, подключенных к шине.

В обычном режиме используется 7-битная адресация.

Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала СТАРТ определяет, какой ведомый адресуется ведущим для проведения цикла обмена. Исключение составляет адрес "Общего вызова", который адресует все устройства на шине. Когда используется этот адрес, все устройства в теории должны послать сигнал подтверждения. Однако, устройства могут обрабатывать "общий вызов" на практике встречаются редко.

Первые семь битов первого байта образуют адрес ведомого. Восьмой, младший бит, определяет направление пересылки данных. "Ноль" означает, что ведущий будет записывать информацию в выбранного ведомого. "Единица" означает, что ведущий будет считывать информацию из ведомого.

После того, как адрес послан, каждое устройство в системе сравнивает первые семь бит после сигнала СТАРТ со своим адресом. При совпадении устройство полагает себя выбранным как ведомый-приёмник или как ведомый-передатчик, в зависимости от бита направления.

Адрес ведомого может состоять из фиксированной и программируемой части.

Часто случается, что в системе будет несколько однотипных устройств (к примеру ИМС памяти, или драйверов LED-индикаторов), поэтому при помощи программируемой части адреса становится возможным подключить к шине максимально возможное количество таких устройств. Количество программируемых бит в адресе зависит от количества свободных выводов микросхемы. Иногда используется один вывод с аналоговой установкой программируемого диапазона адресов, как это, к примеру, реализовано в ИМС SAA1064. При этом в зависимости от потенциала на этом адресном выводе ИМС, возможно смещение адресного пространства драйвера так, чтобы однотипные ИМС не конфликтовали между собой на общей шине.

Все ИМС, поддерживающие работу в стандарте шины I2C, имеют набор фиксированых адресов, перечень которых указан производителем в описаниях контроллеров.

Комбинация бит 11110ХХ адреса зарезервирована для 10-битной адресации.

В общем виде процесс обмена по шине от момента формирования состояния СТАРТ до состояния СТОП можно проиллюстрировать следующим рисунком:

Как следует из спецификации шины, допускаются как простые форматы обмена, так и комбинированные, когда в промежутке от состояния СТАРТ до состояния СТОП ведущий и ведомый могут выступать и как приемник и как передатчик данных. Комбинированные форматы могут быть использованы, например, для управления последовательной памятью.
Во время первого байта данных можно передавать адрес в памяти, который записывается во внутренний регистр-защелку. После повторения сигнала СТАРТа и адреса ведомого выдаются данные из памяти. Все решения об авто-инкременте или декременте адреса, к которому произошел предыдущий доступ, принимаются конструктором конкретного устройства. Поэтому, в любом случае лучший способ избежать неконтролируемой ситуации на шине перед использованием новой (или ранее не используемой) ИМС следует тщательно изучить ее описание (datasheet), получив его с сайта производителя. Более того, производители часто размещают рядом более подробные инструкции по применению.

В любом случае, по спецификации шины все разрабатываемые устройства должны сбрасывать логику шины при получении сигнала СТАРТ или повторный СТАРТ и подготавливаться к приему адреса.

Тем не менее основные проблемы с использованием I2C шины возникают именно из-за того, что разработчики, "начинающие" работать с I2C шиной не учитывают того факта, что ведущий (часто - микропроцессор) не имеет монопольного права ни на одну из линий шины.

Расширение I2C

Стандартная шина I2C со скоростью передачи данных 100 кбит/с и 7-битным адресом существует уже на протяжении более 10 лет в неизменном виде. Стандартная шина I2C принята повсеместно как стандарт для сотен типов микросхем, выпускаемых фирмой Philips и другими поставщиками. В настоящее время спецификация шины I2C расширена в двух направлениях: увеличение быстродействия и расширение адресного пространства для расширения номенклатуры вновь разрабатываемых устройств.

Введение спецификации "быстрого" режима, позволяющего в четыре раза увеличить скорость передачи данных до 400кБит\сек. Необходимость в этом "расширении" стандарта потребовалось из-за необходимости пересылки больших объемов информации, и, как следствие, необходимость увеличения пропускной способности канала.

Введение спецификации "10-битной адресации", позволяющая использовать 1024 дополнительных адресов, т.к. большинство из 112 адресов, допустимых при 7-битной адресации, уже были использованы более чем один раз. Для предотвращения проблем с размещением адресов новых устройств, желательно иметь большее количество адресных комбинаций. Примерно десятикратное увеличение количества доступных адресов получено при использовании новой 10-битной адресации.

Все новые устройства с I2C интерфейсом работают в быстром режиме. Предпочтительно, они должны уметь принимать и/или передавать данные на скорости 400 кбит/с. Как минимум они должны быть способны входить в синхронизацию в быстром режиме, с тем чтобы снизить скорость передачи (путем удлиннения НИЗКОГО периода SCL) до допустимой величины.

Быстрые устройства как правило совместимы снизу-вверх, что означает их способность работать со стандартными устройствами по медленной шине. Очевидно, что стандартные устройства не способны работать в быстрой шине, потому что они не могут синхронизироваться на высокой скорости и их состояние станет непредсказуемым. Ведомые быстрые устройства могут обладать как 7-битным, так и 10-битным адресом. Однако, 7-битный адрес более предпочтителен, так как его аппаратная реализация более проста и длина посылки меньше. Устройства с 7-битным и 10-битным адресами могут одновременно использоваться на одной шине, независимо от скорости передачи. Как существующие, так и будущие ведущие смогут генерировать и 7-битные, и 10-битные адреса.

В быстром режиме протокол, формат, логические уровни и максимальная емкостная нагрузка линий шины остается неизменными. Алгоритм синхронизации линий SDA и SCL не изменен. Однако, от "быстрых" устройствне требуется совместимости с CBUS-устройствами, так как они не могут работать на высоких скоростях. Входные цепи быстрых устройств должны иметь встроенное подавление выбросов и триггер Шмитта на обоих линиях Выходной буфер быстрых устройств должен иметь каскад с управлением временем заднего фронта линий SDA и SCL. Как правило при пропадании напряжения питания быстрых устройств выводы, подключенные к линиям I2C шины должны переходить в третье состояние. Претерпели изменения схемотехнические решения выходных каскадов для обеспечения времени нарастания переднего фронта (переход из НИЗКОГО состояния в ВЫСОКОЕ). Если для нагрузок шины до 200 пФ эту роль выполняют подтягивающие резисторы, то для нагрузок от 200 пФ до 400 пФ эту функцию выполняет источник тока или схема на переключаемых резисторах, обеспечивающая "форсированое" переключение линий I2C шины.

10-битная адресация также не изменяет формат шины. Для этого используется зарезервированная адресная комбинация 1111ХХХ первых семи бит первого байта. 10-битная адресация не влияет на существующую 7-битную адресацию. Устройства с 7-битной и 10-битной адресацией могут быть подключены к одной шине. Хотя имеются восемь возможных комбинаций последовательности 1111ХХХ, из них используются только четыре - 11110ХХ. Комбинации типа 11111ХХ зарезервированы для дальнейших улучшений шины. Назначение битов первых двух байтов 10-битный адрес формируется из первых двух байтов. Первые семь бит первого байта являются комбинацией вида 11110ХХ, где два младших бита (ХХ) являются двумя старшими (9 и 8) битами 10-битного адреса; восьмой бит первого байта - бит направления.
"Ноль" в этом бите означает, что ведущий собирается записывать информацию в ведомого, а "единица" - что ведущий будет считывать информацию из ведомого. Если бит направления равен "нулю", то второй байт содержит оставшиеся 8 бит 10-битного адреса. Если бит направления равен "единице", то следующий байт содержит данные, переданные с ведомого ведущему.

В заключение следует отметить, что стандарт I2C шины достаточно просто реализует арбитраж столкновений - решает проблему одновременной инициализации обмена по шине несколькими ведущими, при этом без потери данных.

Об этом, и о других, более специфических особенностях применения I2C шины, ее реализации и использовании, можно ознакомиться непосредсвенно на сайте Philips .

При подготовке описания использованы материалы, представленные в статье

Интерфейс I2C (или по другому IIC) — это достаточно широко распространённый сетевой последовательный интерфейс, придуманный фирмой Philips и завоевавший популярность относительно высокой скоростью передачи данных (обычно до 100 кбит/с, в современных микросхемах до 400 кбит/с), дешевизной и простотой реализации.

1) Физика .

Физически сеть представляет собой двухпроводную шину, линии которой называются DATA и CLOCK (необходим ещё и третий провод — земля, но интерфейс принято называть двухпроводным по количеству сигнальных проводов). Соответственно, по линии DATA передаются данные, линия CLOCK служит для тактирования. К шине может быть подключено до 128 абонентов, каждый со своим уникальным номером. В каждый момент времени информация передаётся только одним абонентом и только в одну сторону.

Устройства I2C имеют выход с "открытым коллектором". Когда выходной транзистор закрыт — на соответствующей линии через внешний подтягивающий резистор устанавливается высокий уровень, когда выходной транзистор открыт — он притягивает соответствующую линию к земле и на ней устанавливается низкий уровень (смотрите рисунок). Резисторы имеют номинал от нескольких килоОм до нескольких десятков килоОм (чем выше скорость — тем меньше номинал резисторов, но больше энергопотребление). На рисунке треугольниками на входе показано, что входы высокоомные и, соответственно, влияния на уровни сигналов на линиях они не оказывают, а только "считывают" эти уровни. Обычно используются уровни 5В или 3,3В.

2) Логика .

Любое устройство на шине I2C может быть одного из двух типов: Master (ведущий) или Slave (ведомый). Обмен данными происходит сеансами. "Мастер"-устройство полностью управляет сеансом: инициирует сеанс обмена данными, управляет передачей, подавая тактовые импульсы на линию Clock, и завершает сеанс.

Кроме этого, в зависимости от направления передачи данных и "Мастер" и "Слэйв"-устройства могут быть "Приёмниками" или "Передатчиками". Когда "Мастер" принимает данные от "Слэйва" — он является "Приёмником", а "Слэйв" — "Передатчиком". Когда же "Слэйв" принимает данные от "Мастера", то он уже является "Приёмником", а "Мастер" в этом случае является "Передатчиком".

Не надо путать тип устройства "Мастер" со статусом "Передатчика". Несмотря на то, что при чтении "Мастером" информации из "Слэйва", последний выставляет данные на шину Data, делает он это только тогда, когда "Мастер" ему это разрешит, установкой соответствующего уровня на линии Clock. Так что, хотя "Слэйв" в этом случае и управляет шиной Data, — самим обменом всё равно управляет "Мастер".

В режиме ожидания (когда не идёт сеанс обмена данными) обе сигнальные линии (Data и Clock) находятся в состоянии высокого уровня (притянуты к питанию).

Каждый сеанс обмена начинается с подачи "Мастером" так называемого Start-условия. "Старт-условие" — это изменение уровня на линии Data с высокого на низкий при наличии высокого уровня на линии Clock.

После подачи "Старт-условия" первым делом "Мастер" должен сказать с кем он хочет пообщаться и указать, что именно он хочет — передавать данные в устройство или читать их из него. Для этого он выдаёт на шину 7-ми битный адрес "Слэйв" устройства (по другому говорят: "адресует "Слэйв" устройство"), с которым хочет общаться, и один бит, указывающий направление передачи данных (0 — если от "Мастера" к "Слэйву" и 1 — если от "Слэйва" к "Мастеру"). Первый байт после подачи "Старт"-условия всегда всеми "Слэйвами" воспринимается как адресация.

Поскольку направление передачи данных указывается при открытии сеанса вместе с адресацией устройства, то для того, чтобы изменить это направление, необходимо открывать ещё один сеанс (снова подавать "Старт"-условие, адресовать это же устройство и указывать новое направление передачи).

После того, как "Мастер" скажет, к кому именно он обращается и укажет направление передачи данных, — начинается собственно передача: "Мастер" выдаёт на шину данные для "Слэйва" или получает их от него. Эта часть обмена (какие именно данные и в каком порядке "Мастер" должен выдавать на шину, чтобы устройство его поняло и сделало то, что ему нужно) уже определяется каждым конкретным устройством.

Заканчивается каждый сеанс обмена подачей "Мастером" так называемого Stop-условия, которое заключается в изменении уровня на линии Data с низкого на высокий, опять же при наличии высокого уровня на линии Clock. Если на шине сформировано Stop-условие, то закрываются все открытые сеансы обмена .

Внутри сеанса любые изменения на линии Data при наличии высокого уровня на линии Clock запрещены, поскольку в это время происходит считывание данных "Приёмником". Если такие изменения произойдут, то они в любом случае будут восприняты либо как "Старт"-условие (что вызовет прекращение обмена данными), либо как "Стоп"-условие (что будет означать окончание текущего сеанса обмена). Соответственно, во время сеанса обмена установка данных "Передатчиком" (выставление нужного уровня на линии Data) может происходить
только при низком уровне на линии Clock.

Несколько слов по поводу того, в чём в данном случае разница между "прекращением обмена данными" и "окончанием сеанса обмена". В принципе "Мастеру" разрешается, не закрыв первый сеанс обмена, открыть ещё один или несколько сеансов обмена с этим же (например, как было сказано выше, для изменения направления передачи данных) или даже с другими "Слэйвами", подав новое "Старт"-условие без подачи "Стоп"-условия для закрытия предыдущего сеанса. Управлять линией Data, для того, чтобы отвечать "Мастеру", в этом случае будет разрешено тому устройству, к которому "Мастер" обратился последним, однако старый сеанс при этом нельзя считать законченным. И вот почему. Многие устройства (например те же eeprom-ки 24Схх) для ускорения работы складывают данные, полученные от "Мастера" в буфер, а разбираться с этими полученными данными начинают только после получения сигнала об окончании сеанса обмена (то есть "Стоп-условия").

То есть, например, если на шине висит 2 микросхемы eeprom 24Cxx и вы открыли сеанс записи в одну микросхему и передали ей данные для записи, а потом, не закрывая этот первый сеанс, открыли новый сеанс для записи в другую микросхему, то реальная запись и в первую и во вторую микросхему произойдёт только после формирования на шине "Стоп-условия", которое закроет оба сеанса. После получения данных от "Мастера" eeprom-ка складывает их во внутренний буфер и ждёт окончания сеанса, для того, чтобы начать собственно процесс записи из своего внутреннего буфера непосредственно в eeprom. То есть, если вы после после передачи данных для записи в первую микруху не закрыли этот сеанс, открыли второй сеанс и отправили данные для записи во вторую микруху, а потом, не сформировав "Стоп-условие", выключили питание, то реально данные не запишутся ни в первую микросхему, ни во вторую. Или, например, если вы пишете данные попеременно в две микрухи, то в принципе вы можете открыть один сеанс для записи в первую, потом другой сеанс для записи во вторую, потом третий сеанс для записи опять в первую и т.д., но если вы не будете закрывать эти сеансы, то в конце концов это приведёт к переполнению внутренних буферов и в итоге к потере данных .

Здесь можно привести такую аналогию: ученики в классе ("слэйвы") и учитель ("мастер"). Допустим учитель вызвал какого-то ученика (пусть будет Вася) к доске и попросил его решить какой-то пример. После того как Вася этот пример решил, учитель вызвал к доске Петю и начал спрашивать у него домашнее задание, но Васю на место не отпустил. Вот в этом случае вроде бы разговор с Васей закончен, — учитель разговаривает с Петей, но Вася стоит у доски и не может спокойно заниматься своими делами (сеанс общения с ним не закрыт).

В случае, если "Слэйв" во время сеанса обмена не успевает обрабатывать данные, — он может растягивать процесс обмена, удерживая линию Clock в состоянии низкого уровня, поэтому "Мастер" должен проверять возврат линии Clock к высокому уровню после того, как он её отпустит. Хотелось бы подчеркнуть, что не стоит путать состояние, когда "Слэйв" не успевает принимать или посылать данные, с состоянием, когда он просто занят обработкой данных, полученных в результате сеанса обмена. В первом случае (во время обмена данными) он может растягивать обмен, удерживая линию Clock, а во втором случае (когда сеанс обмена с ним закончен) он никакие линии трогать не имеет права. В последнем случае он просто не будет отвечать на "обращение" к нему от "Мастера".

Внутри сеанса передача состоит из пакетов по девять бит, передаваемых в обычной положительной логике (то есть высокий уровень — это 1, а низкий уровень — это 0). Из них 8 бит передаёт "Передатчик" "Приёмнику", а последний девятый бит передаёт "Приёмник" "Передатчику". Биты в пакете передаются старшим битом вперёд. Последний, девятый бит называется битом подтверждения ACK (от английского слова acknowledge — подтверждение). Он передаётся в инвертированном виде, то есть 0 на линии соответствует наличию бита подтверждения, а 1 — его отсутствию. Бит подтверждения может сигнализировать как об отсутствии или занятости устройства (если он не установился при адресации), так и о том, что "Приёмник" хочет закончить передачу или о том, что команда, посланная "Мастером", не выполнена.

Каждый бит передаётся за один такт. Та половина такта, во время которой на линии Clock установлен низкий уровень, используется для установки бита данных на шину передающим абонентом (если предыдущий бит передавал другой абонент, то он в это время должен отпустить шину данных). Та половина такта, во время которой на линии Clock установлен высокий уровень, используется принимающим абонентом для считывания установленного значения бита с шины данных.

Вот собственно и всё. На рисунках ниже всё это описание показано в графической форме.

3) Диаграммы и тайминги.

Параметр

Обозн.

Мин.знач.

I 2 C – двухпроводной интерфейс, разработанный корпорацией Philips. В первоначальном техническом требовании к интерфейсу максимальная скорость передачи данных составляла 100 Кбит/с. Однако со временем появились стандарты на более скоростные режимы работы I 2 C. К одной шине I 2 C могут быть подключены устройства с различными скоростями доступа, так как скорость передачи данных определяется тактовым сигналом.

Протокол передачи данных разработан таким образом, чтобы гарантировать надежный прием передаваемых данных.

При передаче данных одно устройство является «Master», которое инициирует передачу данных и формирует сигналы синхронизации. Другое устройство «Slave» - начинает передачу только по команде, пришедшей от «Master».

В микроконтроллерах PIC16CXXX аппаратно реализован режим «Slave» устройства в модуле SSP. Режим «Master» реализуется программно.

Основные термины, используемые при описании работы с шиной I 2 C:

Передатчик – устройство, передающее данные по шине

Приемник – устройство, получающее данные с шины

«Master» - устройство, которое инициирует передачу и формирует тактовый сигнал

«Slave» - устройство, к которому обращается «Master»

Multi-«Master» - режим работы шины I 2 C с более чем одним «Master»

Арбитраж – процедура, гарантирующая, что только один «Master» управляет шиной

Синхронизация – процедура синхронизации тактового сигнала от двух или более устройств

Выходные каскады формирователей сигналов синхронизации (SCL) и данных (SDA) должны быть выполнены по схемам с открытым коллектором (стоком) для объединения нескольких выходов и через внешний резистор подключены к плюсу питания для того, чтобы на шине был уровень «1», когда ни одно устройство не формирует сигнал «0». Максимальная емкостная нагрузка ограничена емкостью 400 пФ.

Инициализация и завершение передачи данных

В то время, когда передача данных на шине отсутствует, сигналы SCL и SDA имеют высокий уровень за счет внешнего резистора.

Сигналы START и STOP формируются «Master» для определения начала и окончания передачи данных соответственно.

Сигнал START формируется переходом сигнала SDA из высокого уровня в низкий при высоком уровне сигнала SCL. Сигнал STOP определяется как переход SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL. Таким образом, при передаче данных сигнал SDA может изменяться только при низком уровне сигнала SCL.

Адресация устройств на шине I 2 C

Для адресации устройств используется два формата адреса:

Простой 7-разрядный формат с битом чтения/записи R/W;

и 10-разрядный формат – в первом байте передается два старших бита адреса и бит записи/чтения, во втором байте передается младшая часть адреса.

Подтверждение приема

При передаче данных после каждого переданного байта приемник должен подтвердить получение байта сигналом ACK.

Если «Slave» не подтверждает получение байта адреса или данных, «Master» должен прервать передачу, сформировав сигнал STOP.

При передаче данных от «Slave» к «Master», «Master» формирует сигналы подтверждения приема данных ACK. Если «Master» не подтвердит приема байта, «Slave» прекращает передачу данных, «отпуская» линию SDA. После этого «Master» может сформировать сигнал STOP.

Для задержки передачи данных «Slave» может установить логический нуль, указывая «Master» о необходимости ожидания. После «отпускания» линии SCL передача данных продолжается.

Передача данных от «Master» к «Slave»

Чтение данных из «Slave»

Использование сигнала повторного START для обращения к «Slave»

Режим Multi-«Master»

Протокол передачи данных I 2 C позволяет иметь более одного «Master» на шине. Для разрешения конфликтов на шине при инициализации передачи используются функции арбитража и синхронизации.

Арбитраж

Арбитраж выполняется на линии SDA при высоком уровне линии SCL. Устройство, которое формирует на линии SDA высокий уровень когда другое передает низкий, теряет право брать «Master» и должно перейти в режим «Slave». «Master», потерявший инициативу на шине, может формировать тактовые импульсы до конца байта, в котором потерял свойства ведущего.

Синхронизация

Синхронизация на шине происходит после выполнения арбитража по отношению к сигналу SCL. При переходе сигнала SCL с высокого уровня в низкий, все заинтересованные устройства начинают отсчитывать длительность низкого уровня. Затем устройства начинают переводить уровень SCL из низкого в высокий согласно требуемой скорости передачи данных. После перехода уровня из низкого в высокое состояние, заинтересованные устройства отсчитывают длительность высокого уровня. Первое устройство, которое переведет сигнал SCL в низкий уровень, определяет параметры тактового сигнала.

LCD дисплей – частый гость в проектах ардуино. Но в сложных схемах у нас может возникнуть проблема недостатка портов Arduino из-за необходимости подключить экран, у которого очень очень много контактов. Выходом в этой ситуации может стать I2C /IIC переходник, который подключает практически стандартный для Arduino экран 1602 к платам Uno, Nano или Mega всего лишь при помощи 4 пинов. В этой статье мы посмотрим, как можно подключить LCD экран с интерфейсом I2C, какие можно использовать библиотеки, напишем короткий скетч-пример и разберем типовые ошибки.

Жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display) LCD 1602 является хорошим выбором для вывода строк символов в различных проектах. Он стоит недорого, есть различные модификации с разными цветами подсветки, вы можете легко скачать готовые библиотеки для скетчей Ардуино. Но самым главным недостатком этого экрана является тот факт, что дисплей имеет 16 цифровых выводов, из которых обязательными являются минимум 6. Поэтому использование этого LCD экрана без i2c добавляет серьезные ограничения для плат Arduino Uno или Nano. Если контактов не хватает, то вам придется покупать плату Arduino Mega или же сэкономить контакты, в том числе за счет подключения дисплея через i2c.

Краткое описание пинов LCD 1602

Давайте посмотрим на выводы LCD1602 повнимательней:

Каждый из выводов имеет свое назначение:

1. Земля GND;
2. Питание 5 В;
3. Установка контрастности монитора;
4. Команда, данные;
5. Записывание и чтение данных;
6. Enable;

7-14. Линии данных;

1. Плюс подсветки;
2. Минус подсветки.

Технические характеристики дисплея:

• Символьный тип отображения, есть возможность загрузки символов;
• Светодиодная подсветка;
• Контроллер HD44780;
• Напряжение питания 5В;
• Формат 16х2 символов;
• Диапазон рабочих температур от -20С до +70С, диапазон температур хранения от -30С до +80 С;
• Угол обзора 180 градусов.

Схема подключения LCD к плате Ардуино без i2C

Стандартная схема присоединения монитора напрямую к микроконтроллеру Ардуино без I2C выглядит следующим образом.

Из-за большого количества подключаемых контактов может не хватить места для присоединения нужных элементов. Использование I2C уменьшает количество проводов до 4, а занятых пинов до 2.

Где купить LCD экраны и шилды для ардуино

LCD экран 1602 (и вариант 2004) довольно популярен, поэтому вы без проблем сможете найти его как в отечественных интернет-магазинах, так и на зарубежных площадках. Приведем несколько ссылок на наиболее доступные варианты:

Модуль LCD1602+I2C с синим экраном, совместим с Arduino	Простой дисплей LCD1602 (зеленая подсветка) дешевле 80 рублей	Большой экран LCD2004 с I2C HD44780 для ардуино (синяя и зеленая подсветка)
Дисплей 1602 с IIC адаптером и синей подсветкой	Еще один вариант LCD1602 со впаянным I2C модулем	Модуль адаптера Port IIC/I2C/TWI/SPI для экрана 1602, совместим с Ардуино
Дисплей с RGB-подсветкой! LCD 16×2 + keypad +Buzzer Shield for Arduino	Шилд для Ардуино с кнопками и экраном LCD1602 LCD 1602	LCD дисплей для 3D принтера (Smart Controller for RAMPS 1.4, Text LCD 20×4), модулем кардридера SD и MicroSD-

Описание протокола I2C

Прежде чем обсуждать подключение дисплея к ардуино через i2c-переходник, давайте вкратце поговорим о самом протоколе i2C.

I2C / IIC (Inter-Integrated Circuit) – это протокол, изначально создававшийся для связи интегральных микросхем внутри электронного устройства. Разработка принадлежит фирме Philips. В основе i2c протокола является использование 8-битной шины, которая нужна для связи блоков в управляющей электронике, и системе адресации, благодаря которой можно общаться по одним и тем же проводам с несколькими устройствами. Мы просто передаем данные то одному, то другому устройству, добавляя к пакетам данных идентификатор нужного элемента.

Самая простая схема I2C может содержать одно ведущее устройство (чаще всего это микроконтроллер Ардуино) и несколько ведомых (например, дисплей LCD). Каждое устройство имеет адрес в диапазоне от 7 до 127. Двух устройств с одинаковым адресом в одной схеме быть не должно.

Плата Arduino поддерживает i2c на аппаратном уровне. Вы можете использовать пины A4 и A5 для подключения устройств по данному протоколу.

В работе I2C можно выделить несколько преимуществ:

• Для работы требуется всего 2 линии – SDA (линия данных) и SCL (линия синхронизации).
• Подключение большого количества ведущих приборов.
• Уменьшение времени разработки.
• Для управления всем набором устройств требуется только один микроконтроллер.
• Возможное число подключаемых микросхем к одной шине ограничивается только предельной емкостью.
• Высокая степень сохранности данных из-за специального фильтра подавляющего всплески, встроенного в схемы.
• Простая процедура диагностики возникающих сбоев, быстрая отладка неисправностей.
• Шина уже интегрирована в саму Arduino, поэтому не нужно разрабатывать дополнительно шинный интерфейс.

Недостатки:

• Существует емкостное ограничение на линии – 400 пФ.
• Трудное программирование контроллера I2C, если на шине имеется несколько различных устройств.
• При большом количестве устройств возникает трудности локализации сбоя, если одно из них ошибочно устанавливает состояние низкого уровня.

Модуль i2c для LCD 1602 Arduino

Самый быстрый и удобный способ использования i2c дисплея в ардуино – это покупка готового экрана со встроенной поддержкой протокола. Но таких экранов не очень много истоят они не дешево. А вот разнообразных стандартных экранов выпущено уже огромное количество. Поэтому самым доступным и популярным сегодня вариантом является покупка и использование отдельного I2C модуля – переходника, который выглядит вот так:

С одной стороны модуля мы видим выводы i2c – земля, питание и 2 для передачи данных. С другой переходника видим разъемы внешнего питания. И, естественно, на плате есть множество ножек, с помощью которых модуль припаивается к стандартным выводам экрана.

Для подключения к плате ардуино используются i2c выходы. Если нужно, подключаем внешнее питание для подстветки. С помощью встроенного подстроечного резистора мы можем настроить настраиваемые значения контрастности J

На рынке можно встретить LCD 1602 модули с уже припаянными переходниками, их использование максимально упощено. Если вы купили отдельный переходник, нужно будет предварительно припаять его к модулю.

Подключение ЖК экрана к Ардуино по I2C

Для подключения необходимы сама плата Ардуино, дисплей, макетная плата, соединительные провода и потенциометр.

Если вы используете специальный отдельный i2c переходник, то нужно сначала припаять его к модулю экрана. Ошибиться там трудно, можете руководствоваться такой схемой.

Жидкокристаллический монитор с поддержкой i2c подключается к плате при помощи четырех проводов – два провода для данных, два провода для питания.

• Вывод GND подключается к GND на плате.
• Вывод VCC – на 5V.
• SCL подключается к пину A5.
• SDA подключается к пину A.

И это все! Никаких паутин проводов, в которых очень легко запутаться. При этом всю сложность реализации i2C протокола мы можем просто доверить библиотекам.

Библиотеки для работы с i2c LCD дисплеем

Для взаимодействие Arduino c LCD 1602 по шине I2C вам потребуются как минимум две библиотеки:

• Библиотека Wire.h для работы с I2C уже имеется в стандартной программе Arduino IDE.
• Библиотека LiquidCrystal_I2C.h, которая включает в себя большое разнообразие команд для управления монитором по шине I2C и позволяет сделать скетч проще и короче. Нужно дополнительно установить библиотеку После подключения дисплея нужно дополнительно установить библиотеку LiquidCrystal_I2C.h

После подключения к скетчу всех необходимых библиотек мы создаем объект и можем использовать все его функции. Для тестирования давайте загрузим следующий стандартный скетч из примера.

#include #include // Подключение библиотеки //#include // Подключение альтернативной библиотеки LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // Указываем I2C адрес (наиболее распространенное значение), а также параметры экрана (в случае LCD 1602 - 2 строки по 16 символов в каждой //LiquidCrystal_PCF8574 lcd(0x27); // Вариант для библиотеки PCF8574 void setup() { lcd.init(); // Инициализация дисплея lcd.backlight(); // Подключение подсветки lcd.setCursor(0,0); // Установка курсора в начало первой строки lcd.print("Hello"); // Набор текста на первой строке lcd.setCursor(0,1); // Установка курсора в начало второй строки lcd.print("ArduinoMaster"); // Набор текста на второй строке } void loop() { }

Описание функций и методов библиотеки LiquidCrystal_I2C:

• home() и clear() – первая функция позволяет вернуть курсор в начало экрана, вторая тоже, но при этом удаляет все, что было на мониторе до этого.
• write(ch) – позволяет вывести одиночный символ ch на экран.
• cursor() и noCursor() – показывает/скрывает курсор на экране.
• blink() и noBlink() – курсор мигает/не мигает (если до этого было включено его отображение).
• display() и noDisplay() – позволяет подключить/отключить дисплей.
• scrollDisplayLeft() и scrollDisplayRight() – прокручивает экран на один знак влево/вправо.
• autoscroll() и noAutoscroll() – позволяет включить/выключить режим автопрокручивания. В этом режиме каждый новый символ записывается в одном и том же месте, вытесняя ранее написанное на экране.
• leftToRight() и rightToLeft() – Установка направление выводимого текста – слева направо или справа налево.
• createChar(ch, bitmap) – создает символ с кодом ch (0 – 7), используя массив битовых масок bitmap для создания черных и белых точек.

Альтернативная библиотека для работы с i2c дисплеем

В некоторых случаях при использовании указанной библиотеки с устройствами, оснащенными контроллерами PCF8574 могут возникать ошибки. В этом случае в качестве альтернативы можно предложить библиотеку LiquidCrystal_PCF8574.h. Она расширяет LiquidCrystal_I2C, поэтому проблем с ее использованием быть не должно.

Проблемы подключения i2c lcd дисплея

Если после загрузки скетча у вас не появилось никакой надписи на дисплее, попробуйте выполнить следующие действия.

Во-первых, можно увеличить или уменьшить контрастность монитора. Часто символы просто не видны из-за режима контрастности и подсветки.

Если это не помогло, то проверьте правильность подключения контактов, подключено ли питание подсветки. Если вы использовали отдельный i2c переходник, то проверьте еще раз качество пайки контактов.

Другой часто встречающейся причиной отсутствия текста на экране может стать неправильный i2c адрес. Попробуйте сперва поменять в скетче адрес устройства с 0x27 0x20 или на 0x3F. У разных производителей могут быть зашиты разные адреса по умолчанию. Если и это не помогло, можете запустить скетч i2c сканера, который просматривает все подключенные устройства и определяет их адрес методом перебора. Пример скетча i2c сканера .

Если экран все еще останется нерабочим, попробуйте отпаять переходник и подключить LCD обычным образом.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели основные вопросы использования LCD экрана в сложных проектах ардуино, когда нам нужно экономить свободные пины на плате. Простой и недорогой переходник i2c позволит подключить LCD экран 1602, занимая всего 2 аналоговых пина. Во многих ситуациях это может быть очень важным. Плата за удобство – необходимость в использовании дополнительного модуля – конвертера и библиотеки. На наш взгляд, совсем не высокая цена за удобство и мы крайне рекомендуем использовать эту возможность в проектах.

С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);

2 резистора по 4,7 кОм (из того же набора);

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».

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.. 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.

2 Реализация I2C в 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:

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 устройства к 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).

5 Управление 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 // 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.