Описание шины I2C. I2C интерфейс: описание на русском I2c декодер шины

Которая применила его для организации связи между микросхемами в своих телевизорах. I 2 C (аббревиатура слов Inter-Integrated Circuit), и представляет собой двунаправленную асинхронную шину с последовательной передачей данных. Физически шина I 2 C представляет собой две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, а вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи данных - 100 кбит/с.

Все абоненты шины делятся на два класса - "Master" и "Slave". Устройство "Master" генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое "Slave"-устройство с целью передачи или приёма информации. Все "Slave"-устройства "слушают" шину на предмет обнаружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "MultiMaster"-режим, когда на шине установлено несколько "Master"-абонентов, которые либо совместно разделяют общие "Slave"-устройства, либо попеременно являются то "Master"-устройствами, когда сами инициируют обмен информацией, то "Slave", когда находятся в режиме ожидания обращения от другого "Master"-устройства. Режим "MultiMaster" требует арбитража и распознавания конфликтов. Естественно, он сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализация) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.

В начальный момент времени - в режиме ожидания - обе лини SCL и SDA находятся в состоянии лог. 1 (транзистор выходного каскада с открытым коллектором закрыт). В режиме передачи (рисунок 1) бит данных SDA стробируется положительным импульсом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. "Slave"-устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом "Master"-устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжать передачу информации.

Рисунок 1 - Диаграмма процесса передачи данных по шине I 2 C

Для синхронизации пакетов шины I 2 C различают два условия - "START" и "STOP", ограничивающие начало и конец информационного пакета (рисунок 2). Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SDA при единичном состоянии линии SCL, что недопустимо при передаче данных. "START"-условие образуется при отрицательном перепаде линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и наоборот, "STOP"-условие образуется при положительном перепаде линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Рисунок 2 - Диаграмма "START" / "STOP" условий шины I 2 C

Передача данных начинается по первому положительному импульсу на линии SCL, которым стробируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдаёт подтверждение (ACK ) - отрицательный импульс, свидетельствующий о "взаимопонимании" передатчика и получателя. Следует отметить, что любой абонент шины, как "Master", так и "Slave" может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK , отсутствие которого интерпретируется как ошибка.

Чтобы начать операцию обмена, устройство "Master" выдаёт на шину "START"-условие, за которым следует байт с адресом "Slave"-устройства (рисунок 3), состоящий из семибитового адреса устройства (биты 1...7) и однобитового флага операции - "R/W " (бит 0), определяющего направление обмена, причём 0 означает передачу от "Master" к "Slave" (рисунок 3а), а 1 - чтение из "Slave" (рисунок 3б). Все биты по шине I 2 C передаются в порядке старший-младший, то есть первым передаётся 7-ой бит, последним 0-ой. За адресом могут следовать один или более информационных байтов (в направлении, определённом флагом R/W ), биты которых стробируются сигналом SCL из "Master"-устройства.

При совершении операции чтения "Master" абонент должен сопровождать прочитанный байт сигналом ACK , если необходимо прочитать следующий байт, и не выдавать сигнал ACK , если собирается закончить чтение пакета (см. рисунок 3б).

Допускается многократное возобновление "Slave"-адреса в одном цикле передачи, то есть передача повторного "START"-условия без предварительного "STOP"-условия (рисунок 3в).

Рисунок 3 - Формат операций чтения/записи

Необходимо отметить некоторые особенности микросхем памяти, работающих по интерфейсу I 2 C, и процедур обмена данными с ними. Во-первых, энергонезависимая память данных этих микросхем разбита на страницы памяти, поэтому при записи байта вначале происходит копирование всей страницы во внутреннюю оперативную память микросхемы, где производится изменение нужной ячейки. После этого, производится стирание старой страницы и запись на её место новой. Ещё одной особенностью является то, что старшие четыре бита адреса "Slave" всегда должны быть равны 1010. Это требование регламентировано самой фирмой Philips.

Теперь рассмотрим процедуры "общения" ведущего с микросхемой памяти. Прежде всего, он обязан сформировать на шине условие "START", вслед за которым послать байт с адресом ведомого и установленным признаком записи. Получив подтверждение приёма, ведущий продолжает передачу, посылая один или два байта адреса (зависит от ёмкости микросхемы) ячейки памяти. Приём каждого из них должен быть подтверждён "Slave"-устройством. В отличие от привычного программистам принятого в IBM PC порядка первым в данном случае передаётся байт со старшими разрядами адреса.

Дальнейшие действия зависят от того, намерен ли ведущий читать данные, хранящиеся в массиве памяти ведомого, или записывать их туда. Для записи одного или нескольких байтов их достаточно передать вслед за адресом. Первый попадёт в заданную ячейку, после чего внутренний контроллер микросхемы памяти автоматически инкрементирует адрес. Поэтому повторять его передачу не требуется. Следующий байт будет направлен в следующую ячейку и так далее до верхней границы страницы записи (в соответствующем числе младших разрядов адреса ячейки - все единицы), после чего заполнение страницы продолжится с нижней границы (в младших разрядах - все нули). Число байт данных, передаваемых в одном сеансе, не ограничено, но сохранятся лишь последние из них в количестве, не превышающем длины страницы.

Страничная запись значительно сокращает время, требуемое для перезаписи всего массива памяти или большей его части, но кроме неё иногда предусматривается и мультибайтная запись, отличие которой состоит в том, что адреса последовательно записываемых ячеек могут находиться на смежных страницах, пересекая их границу.

В любом случае после передачи и подтверждения приёма всех данных для программирования ведущий подаёт команду "STOP", запускающую в микросхеме внутренний автомат записи. Время записи здесь довольно большое - около 10 мс. Если данные переданы в мультибайтном режиме и находятся на разных страницах, продолжительность записи удваивается - автомат программирует две страницы.

До окончания процедуры программирования микросхема памяти не реагирует ни на какие внешние сигналы и в течение этого времени на повторные обращения ведущего по её адресу не откликается. Этим пользуются для определения момента завершения программирования.

Перед чтением данных не требуется обязательно указывать адрес ячейки. Если ведущий обращается к микросхеме памяти, установив в младшем бите байта адреса "Slave" признак чтения, в ответ ему будет передан байт из ячейки, следующей за той, с которой выполнялась последняя операция записи или чтения, после чего счётчик адреса будет автоматически инкрементирован. Продолжая посылать импульсы SCL, ведущий может последовательно и неоднократно прочитать весь массив данных. Возврата к началу страницы на её границе при чтении не происходит, а за адресом последней ячейки всего массива следует нулевой. Сигнал окончания чтения - отсутствие подтверждения ведущим приёма последнего или единственного байта данных и следующая за этим команда "STOP".

При необходимости адрес читаемой ячейки задают в явном виде следующим образом (см. рисунок 3в). Прежде всего, ведущий обращается к микросхеме памяти с признаком записи и посылает ему один или два байта адреса ячейки. Получив подтверждение, он немедленно посылает новую команду "START", а за ней - адрес "Slave" с признаком чтения и выполняет описанную выше процедуру. Первым ему будет передан байт из ячейки с указанным адресом.

Все вышеописанные процедуры обмена данными относятся и к микросхемам часов реального времени, за исключением того, что некоторые ячейки памяти у них представляют собой регистры счётчиков даты времени и, соответственно, изменяются самой микросхемой, хотя ничто не запрещает изменять их и ведущему (так производится установка времени).

Удобства применения шины I 2 C очевидны - малое количество соединительных линий и высокая скорость обмена, простота аппаратной реализации линии связи. Наиболее широко поддерживает шину I 2 C, конечно же, фирма Philips, производящая множество микросхем различной сложности с управлением по I 2 C. В первую очередь, можно выделить микросхемы энергонезависимой памяти (EEPROM) серии 24Схх в 8-ми выводных корпусах, фактически ставшие промышленным стандартом. Из широко распространенных микросхем можно выделить: микросхемы часов DS1307 и DS3231, параллельный порт PCF8574, 4-х канальный 8-ми разрядный АЦП PCF8591.

I 2 C-абоненты жёстко разделяются по классам: "Master"- и "Slave"- устройство. Тот факт, что сигнал SCL всегда генерируется "Master"-устройством означает, что "Master"-абонент может быть достаточно легко реализован чисто программными средствами, так как все изменения на шине будут происходить только по сигналу SCL. И наоборот, реализация "Slave"-устройства требует аппаратной поддержки, кроме случая очень низких скоростей обмена. Существуют однокристальные микроконтроллеры (МК) поддерживающие "Slave"-операции шины I 2 C. Это прежде всего Philips PCF80C552 (652), Microchip PIC16F88 (PIC16F690, PIC18F2620 и др.), Motorola MC68HC705CJ4 (BD3, E5).

Типичная ошибка при реализации программ "Master"-абонента - управление значением порта МК для установки состояний лог. 0 и лог. 1 линий SCL и SDA. Если для МК семейства MCS-51 это нормальный режим работы, так как единичное состояние порта у них реализуется встроенным подтягивающим резистором, то для МК с симметричными портами (Motorola 68HCxx, Microchip PIC, Atmel AVR) это будет порождать электрические конфликты. Например, в руководстве "Microchip. Embedded Control Handbook 1994/1995" приведены практические программы для связи PIC c EEPROM 24Cxx, содержащие подобные грубые ошибки. Положение усугубляется ещё и тем, что в случае микросхем EEPROM такой вариант может сработать, так как они являются 100% аппаратными схемами и не вносят задержек в связной протокол, а паузу ожидания окончания цикла программирования производят переходом в пассивное состояние. Однако использование таких подпрограмм с микросхемами, производящими захват линии SCL (практически любой "Slave"-абонент, реализованный с применением МК), приведёт к невозможности связи, а возможно, и к выходу микросхемы из строя.

Реализовать настоящую имитацию режима "Открытый коллектор" (ОК) (мы назвали этот режим имитацией ОК, так как он не позволяет устанавливать на линии напряжение выше напряжения питания, что было бы нормально для настоящего ОК, но так как по спецификации I 2 C напряжение на линиях SCL и SDA не должно превышать напряжение питания, его вполне законно можно считать выходом с ОК) на порте с симметричным выходом можно, если установить значение порта постоянно в лог. 0, а управлять состоянием линии через манипуляции с регистром направления данных. Для МК семейства PIC это будет регистр "TRISx", переводящий порт либо в третье состояние, либо подключающий линии в соответствии с состоянием регистра "PORTx". Практически так же это реализуется в МК AVR и MC68HC05 (08, 11), где "DDRx" коммутирует порт "PORTx", с той лишь разницей, что у них другая полярность управляющего сигнала - у PIC лог. 0 в "TRISx" соответствует лог. 0 на выходе, а у AVR и MC68HC05 лог. 1 в "DDRx" соответствует лог. 0 на выходе.

Другая важная сторона вопроса - необходимость тщательного соблюдения параметров временной диаграммы процесса обмена. Несмотря на то, что шина I 2 C асинхронная и позволяет затягивать передачу бита (байта) на сколь угодно длительное время (это свойство позволяет реализовывать программы I 2 C-обмена на самом низком уровне приоритета, прерывая процесс передачи в любое время), требования к минимальным значениям длительностей импульсов очень жёсткие. Ситуация усугубляется тем, что положительные перепады состояния линии имеют склонность затягиваться, так как несимметричные управляющие выходы не могут создать крутые положительные фронты.

При написании программ очень важно контролировать время между операциями на шине, реализуемыми различными подпрограммами, например выдача "START" и "STOP"-условия, передача бита, передача байта. При состыковке этих подпрограмм не должны быть нарушены минимальные значения времени, что очень легко происходит при использовании высокоскоростных процессоров (AVR, PIC). Кроме того, необходимо следить, чтобы время между изменением на линии SDA и стробированием положительным импульсом на линии SCL было не меньше половины минимальной длительности полупериода SCL (2,4 мкс для скорости 100 кБит/сек). Помимо этого, некоторые "Slave"-приборы могут ужесточить требования к максимальной частоте обмена, в этом случае необходимо пропорционально снижению частоты обмена увеличивать значения минимумов временных допусков.

Ещё одна распространенная ошибка - игнорирование требования слежения за захватом линии SCL "Slave"-абонентом. Грамотно реализованные прграммы операций "Master"-абонента должны контролировать возврат линии SCL после того, как переводят её в единичное состояние, и только дождавшись реальной установки линии SCL в единичное состояние продолжать операции приемо-передачи.

Интерфейс I2C

Основные технические характеристики

Интерфейс I2 C (Inter IС Bus - шина соединения микросхем) - синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами по двум сигнальным линиям.

Шина ориентирована на 8-битные передачи.

Передача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широковещательной. Для выборки устройств используется 7-битная или 10-битной адресация.

Уровни сигналов - совместимые с логикой ТТЛ, КМОП, n-МОП, как с традиционным питанием +5 В так и с низковольтным (+3,3 В и ниже).

Скорость передачи данных до 3,4 Мбит/с. Поддержка подключения нескольких устройств.

Поддержка «горячего» подключения/ отключения и технологии РnР.

Интерфейс мультиплексный – во время обмена данными один «мастер» и один или несколько «подчиненных» устройств.

Основные термины, используемые при описании работы с шиной I2 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 I2 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

Протокол позволяет взаимодействовать на одной шине устройствам с различным быстродействием интерфейса. Требования к временным параметрам сигналов весьма свободные, так что на компьютерах и микроконтроллерах, не имеющих аппаратной поддержки шины I2 C, ее протокол может быть реализован даже чисто программно.

В I2 C определены три режима передачи: стандартный - Standard Mode (S)

Со скоростью 0-100 Кбит/с, быстрый - Fast Mode (F) - со скоростью 0-400 Кбит/с, и высокоскоростной - High speed (Hs) - со скоростью до 3,4 Мбит/с.

Режимы F и S логически работают одинаково, и для них используют обобщенное обозначение F/S.

Интерфейс I2 C использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства - ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине нескольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий).

Протокол обмена для обычных устройств F/S иллюстрирует рис. Х.1. Обе сигнальные линии имеют нагрузочные резисторы, «подтягивающие» их уровень к напряжению питания. На устройстве к каждой линии подключен приемник и передатчик типа «открытый коллектор» («открытый сток»), у ведомого устройства передатчик на линии SCL не обязателен. Все одноименные передатчики соединяются по схеме «Монтажное И»: уровень в линии будет высоким, если все передатчики пассивны, и низким, если хоть у одного передатчика выходной транзистор открыт. В покое (Idle, исходное состояние шины) все передатчики пассивны. Синхронизацию задает ведущее устройство, но ведомое, если оно не имеет достаточного быстродействия, может замедлять обмен данными.

Начало любой передачи - условие Start - инициируется ведущим устройством, убедившимся в том, что шина свободна (высокий уровень сигналов SCL и SDA).

Условие Start (на диаграммах обозначается как S) - перевод сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL.

Завершается операция переводом сигнала SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL - условие Stop (обозначается как Р), также вводящееся ведущим устройством.

Каждая посылка данных состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком, после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения.

Приемник во время девятого такта формирует бит подтверждения Ack, по которому передатчик убеждается, что передача прошла успешно. После передачи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Ведомое устройство в режимах F/S может замедлить передачу по шине и на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком. Поэтому ведущее устройство должно генерировать сигнал SCL, анализируя состояние этой линии: сняв этот сигнал, новый импульс (открытие ключа передатчика) оно имеет право вводить, лишь убедившись, что сигнал SCL вернулся в пассивное состояние (высокий уровень). В противном случае синхронизация будет потеряна. Сигнал SCL может быть растянут и другим устройством, пытающимся захватить шину в это же время. Тактовый сигнал SCL не обязательно будет равномерным: время его нахождения на низком уровне будет определяться максимальным временем, в котором его захочет удержать самое медленное из устройств, участвующих в данном обмене (даже и конфликтующих).

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.

От «Master» к «Slave»

Адрес «Slave»

От «Slave» к «Master»

Передача

Передаваемыеданные

а) Передача от «Master» к «Slave»

(n байтов + АСК)

«Start» - условие

«Stop» - условие

Адрес «Slave»

Бит подтверждения (ACK)

Принимаемые данные

б) Чтение из «Slave»

(n байтов + АСК)

Отсутствие подтверждения

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.

1) Физика .

2) Логика .

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

3) Диаграммы и тайминги.

Параметр

Обозн.

Мин.знач.

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:

Земля GND;
Питание 5 В;
Установка контрастности монитора;
Команда, данные;
Записывание и чтение данных;
Enable;

7-14. Линии данных;

Плюс подсветки;
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.