Интерфейс I2C в Arduino

Как расширить функциональность разрабатываемой системы на основе микроконтроллера? Да, этот вопрос интересует многих схемотехников, работающими над прототипами электронных устройств. Удивительно, но добавить к системе новые блоки, не изменяя схемы, позволит шина, разработанная инженерами Philips более 30 лет назад.

Благодаря интерфейсу I2C можно превратить микроконтроллер в простой конструктор, к которому можно подключить несколько сотен микросхем. Сразу стоит отметить, что их количество ограничивается емкостью шины в 400 пФ, но это один из немногих недостатков I2C.

Схема внутренней связи – так можно расшифровать название шины, которую сегодня можно встретить практически в каждом электронном устройстве. Стоит отметить, что в Philips запатентовали столь удачное в практическом плане решение и другие производители дублировали I2C под другими названиями.

Именно эта шина устанавливается для связи  с внешним миром дисплеев, камер, сотовых телефонов. Количество периферических устройств, подключаемых к устройствам с помощью I2C, вообще не поддается учету.  В чем же преимущества интерфейса?

I2C – последовательная асимметричная шина для связи между интегральными схемами внутри электронных приборов. Использует две двунаправленные линии связи (SDA и SCL).

Шина представляет собой два проводника, а для управления интерфейсом достаточно одного микроконтроллера. Удивительно, но подобная простота позволяет производить отключение микросхем в процессе работы. Специальный встроенный фильтр способен справляться с всплесками, гарантируя сохранность обрабатываемой информации.

Среди недостатков I2C, кроме ограниченной емкости, сложность программирования и трудность с определением неисправности в ситуации с состоянием низкого уровня.

Изначально скорость шины была всего 100 кбит, а подключить к ней было можно всего 120 устройств. В 90-х годах стандарты изменились и скорость передачи данных увеличилась в 4 раза и появилась возможность подключения до 1000 микросхем.

Однако большинство производителей интерфейса зациклились на 400 кбит с подключением 120 устройств.

Проводники шины подсоединены к плюсу резисторами 1-10к, один из проводников является шиной данных, другой – тактирование. Работает такая схема просто: на линии есть одно ведущее устройство (микроконтроллер) и несколько периферийных устройств. Так как линии запитаны на плюсе, то подключенному слейву (ведомому элементу) достаточно прижать провод к земле и передать тем самым 0.

Когда периферическое устройство отпускает провод, по проводнику передается 1. Все элементарно, но если при совместной работе один из слейвов выдал 0, то остальным подключенным к шине устройствам придется подождать. Осуществляет тактирование и передачу микроконтроллер, предварительно уточнив, свободна ли линия. Для этого передается 1 на SCL и SDA, после чего создается старт-условие – прижимается линия SDA при значении SCL равном 1.

Следующим этапом работы является передача адреса того устройства, к которому нужно обратиться.

При этом нужно помнить, что считывание данных осуществляется при SCL =1, а передача идет вперед старшим  битом.

Первые 7 бит – адрес устройства, 8 – команда записать (0) или читать (1).

Слейв получит все восемь сигналов, прижмет линию SDA на девятом такте SCL если ему все понятно. Если нет – то формируется сигнал стоп и передача данных осуществляется снова. При завершении работы отпускается линия SDA, при этом SCL не трогают.

Даже в том случае, если подключенная микросхема медленно обрабатывает сигнал, все равно она придержит SCL.

Вопросы демократии в схемотехнике регламентируются правилом монтажного И. В его основе лежит способность ведущего устройства контролировать результат работы. Обязательно перепроверяется – отпущена линия или нет, если она отпустилась – то мастер на данный момент ведущий, если нет – то что-то более важное пока держит линию. В этом случае нужно подождать просвет и сделать свою работу, когда таковой появится.

Однако, вполне возможно что все ведущие устройства решать заняться делом одновременно. В этом случае первенство будет за тем мастером, который первым начал тактирование и сделал это быстро. Если два устройства будут работать сверхсинхронно, то первым победит то из них, которое сгенерирует 0 чуть быстрее оппонента.