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?
Основные достоинства и недостатки I2C
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.
Принцип подключения и работы
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.
Режим работы multi-master
Вопросы демократии в схемотехнике регламентируются . 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.
LCD дисплей Arduino позволяет визуально отображать данные с датчиков. Расскажем, как правильно подключить LCD монитор к Arduino по I2C и рассмотрим основные команды инициализации и управления LCD 1602. Также рассмотрим различные функции в языке программирования C++, для вывода текстовой информации на дисплее, который часто требуется использовать в проектах на Ардуино.
Видео. Arduino LCD Display I2C 1602
LCD 1602 I2C подключение к Arduino
I2C - последовательная двухпроводная шина для связи интегральных схем внутри электронных приборов, известна, как I²C или IIC (англ. Inter-Integrated Circuit). I²C была разработана фирмой Philips в начале 1980-х годов, как простая 8-битная шина для внутренней связи между схемами в управляющей электронике (например, в компьютерах на материнских платах, в мобильных телефонах и т.д.).
В простой системе I²C может быть несколько ведомых устройств и одно ведущее устройство, которое инициирует передачу данных и синхронизирует сигнал. К линиям SDA (линия данных) и SCL (линия синхронизации) можно подключить несколько ведомых устройств. Часто ведущим устройством является контроллер Ардуино, а ведомыми устройствами: часы реального времени или LCD Display.
Как подключить LCD 1602 к Ардуино по I2C
Жидкокристаллический дисплей 1602 с I2C модулем подключается к плате Ардуино всего 4 проводами — 2 провода данных и 2 провода питания. Подключение дисплея 1602 проводится стандартно для шины I2C: вывод SDA подключается к порту A4, вывод SCL – к порту A5. Питание LCD дисплея осуществляется от порта +5V на Arduino. Смотрите подробнее схему подключения жк монитора 1602 на фото ниже.
Для занятия нам понадобятся следующие детали:
- плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- LCD монитор 1602;
- 4 провода «папа-мама».
После подключения LCD монитора к Ардуино через I2C вам потребуется установить библиотеку LiquidCrystal_I2C.h для работы с LCD дисплеем по интерфейсу I2C и библиотека Wire.h (имеется в стандартной программе Arduino IDE). Скачать рабочую библиотеку LiquidCrystal_I2C.h для LCD 1602 с модулем I2C можно на странице Библиотеки для Ардуино на нашем сайте по прямой ссылке с Google Drive.
Скетч для дисплея 1602 с I2C
#includeПояснения к коду:
- библиотека LiquidCrystal_I2C.h содержит множество команд для управления LCD дисплея по шине I²C и позволяет значительно упростить скетч;
- скетч содержит многострочный комментарий /* ... */ , который позволяет закомментировать сразу несколько строк в программе.
- перед выводом информации на дисплей, необходимо задать положение курсора командой setCursor(0,1) , где 0 — номер символа в строке, 1 — номер строки.
С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);
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
После включения вы видите, как яркость светодиода циклически нарастает, а потом гаснет. При этом мы управляем потенциометром с помощью Arduino по шине I2C.
I2C это последовательная асимметричная шина для связи между интегральными схемами внутри электронных приборов. Тоесть данный протокол связи был разработан для внутренней связи внутри коробки устройства или внутри щита. Перед ним не ставилось задание передавать данные на большие расстояния, поэтому ходит множество мифов о максимальной дальности связи - у кого-то плохо работает уже при 50см, у кого-то при 2м.
На шине I2C может сидеть до 128 устройств. Адреса от 0 до 127.
В контроллерах Arduino заложена физическая коммуникация I2C, которая позволяет по двум информационным проводам подключать к ним как различные датчики, расширители дискретных входов-выходов, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, так и другие контроллеры.
О скорости передачи на сайте производителя не пишут. Но по общей документации на протокол она должна составлять как минимум 100 кбит/с
Теперь хотелось бы потестировать на сколько действительно хороша шина I2C, и на сколько сложно по ней обмениваться данными между несколькими контроллерами Arduino
Я возьму три контроллера , объединю их шиной I2C, и разберусь, как по ней обмениваться данными. Первый контроллер будет выполнять роль ведущего, а остальные два - роль ведомого.
Для отображения данных буду использовать LCD-индикатор 1602 с модулем I2C, который будет подключен на ту же коммуникационную шину.
Ведущий контроллер будет последовательно опрашивать второго и третьего контроллера. Принятые данные первый контроллер должен выводить на индикатор. Опрос ведомых Arduino Nano будет проводиться с частотой 1 раз/сек.
Схема подключения
Четыре провода от каждого из 4-х устройств нужно соединить параллельно. Вывод А4 платы Arduino Nano - это шина SDA протокола I2C, а А5 - это SCL.
Я буду использовать монтажные шилды под контроллеры Nano для удобства соединений.
Питание будет подаваться просто на один из контроллеров через mini USB вход.
У LCD адрес в сети I2C по умолчанию 27. У второго контроллера установим адрес 2 и у третьего 3. У ведущего первого контроллера адрес не нужен.
Программа контроллера - мастера.
#includeПервый контроллер изменяет свою переменную типа integer и выводит ее значение на индикатор. Так же он поочереди опрашивает слейв со 2-м и 3-м адресом. Запрашивает у них два байта информации, преобразовывает их в переменную integer. В результате в первом контроллере крутятся три переменные с трёх Nano и он может вывести их на индикатор.
Программа второго контроллера
#includeПрограмма третьего Arduino Nano
#includeОтличаются последние две программы просто адресом в функции Wire.begin(3); и частотой изменения переменной.
Эти программы постоянно изменяют переменную integer и ожидают запроса от мастера. При запросе эта переменная раскладывается на два байта и отправляется как ответ на запрос ведущему контроллеру.
Таким образом работу связи по I2C можно контролировать по изменяющимся значениям трех переменных на жидкокристаллическом индикаторе.
Выводы
Прекрасно все работает - цифры на дисплее меняются. Я попробовал удлиннять шлейф проводов между вторым и третьим контроллерами Arduino. Проверил работу шины связи при длине 3 м - без притензий. Длиннее не пробовал, но многие мне утверждали, что I2C не работает дальше 0,5 ... 2 м и меня воодушевила длина 3 м.
Для себя я уже вижу, где применю такую связь именно между тремя Nano.
Я здесь ещё не попробовал передачу данных от мастера слейву. Если попробуете - отпишитесь.
Недостатков здесь на небольших расстояниях ощутимо меньше чем превосходств.
Протокол обмена данными I2C в свое время был разработан компанией Philips. Название I2C произошло от английского Iner-IC управления или по другому межмикросхемного управления, Inter-IC,IIC (I2C) -название одного и того же протокола.
Данный протокол или интерфейс обеспечивате качественный прием и передачу информации (данных) от нескольких различных устройств, к примеру можно измерять температуру и одновременно управлять цифровым потенциометром. Общение происходит програмно, алгоритм общения с датчиком по протоколу I2С записывается в программу Arduino (скетч).
Существуют специальные переходники которые позволяют подключать другие устройства, к примеру имея переходник можно по двум проводом подключить arduino дисплей 1602 (16x2) LCD по протоколу i2c. По запросу LCD i2c на просторах интернета куча информации, вот пример того как должен выглядить переходник под дисплей http://www.ebay.com/itm/310565362720
При работе по этому интерфейсу, одно устройство является ведущим а другое ведомым. Ведущее устройство инициализирует передачу и генерирует сигналы необходимые для синхронизации.
Вемое в свою очередь зависит от ведущего, и начинает передачу данных только после получения команды от ведущего устройства.
Устройство подключенное к шине I2C имеет свой уникальный адрес. Именно по этому адресу осуществляется обращения ведущего устройства.
Пример подключения датчиков по протоколу I2C
Подключение осуществляется по двум проводам: SCL- сигнала тактирования или тактового сигнала и SDA - сигнала данных. При этом к шине I2C можно подключать любое количество различных датчиков (ведомых устройств), имеющие свои уникальные id.
Знакомство начинается со специально написанной для этих целей библиотеки, имя которой Wire. Перед началом работы ее необходимо импортировать в проект,она имеет специальные команды или методы для "общения" с устройствами.
Для обмена данными с устройствами нужно знать их id. Различные устройства могут иметь разную длину адреса (id) 8 или 7 бит.В библиотеке Wire используется 7-ми битная адресация.
Подключение ведомых устройств осуществляется к выводам на плате Arduino. Каждая версия Arduino имеет свои выводы I2C
- UNO - A4(SDA), A5(SCL);
- Mega - 20(SDA), 21(SCL);
- Leonardo- 2(SDA), 3(SCL);
- Due - 20(SDA), 21(SCL),SDA1,SCL1;
Пример код программы для управления цифровым потенциометром при помощи библиотеки Wire
Данный пример показывает как устанавливать определенное значение сопротивление в цифровом потенциометре при помощи библиотеки Wire. Установка определенного значения осуществляется при помощи переменной val.
#include
Видео работы I2C и Arduino. Часть 1
