Управление i2c шиной на arduino. Библиотека Wire для Arduino для работы с шиной I2C

Отличаются 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.

Arduino поддерживает много интерфейсов передачи данных, одним из которых является достаточно популярный на сегодняшний день I2C. Когда-то давно этот протокол связи придумала компания Philips и зарегистрировала под запатентованным названием “I2C”, вы также можете встретить его под названиями TWI, 2 line interface, но все они работают по единому принципу.

Весь смысл I2С шины состоит в том, что на 2 провода можно повесить большое (128) количество различных устройств, от датчиков температуры, до микроконтроллеров.

Но в тоже время по скорости I2C уступает UART и SPI , из-за основных принципов работы, т.к. две линии всегда подтянуты к резисторам(Vcc), а значит на графике мы получаем не прямоугольные импульсы, а трапециевидные, в отличие от вышеупомянутых.

SDA - отвечает за передачу информации(начало передачи, адрес, данные)
SCL - тактирование шины

В I2C устройства могут быть двух типов Master и Slave

Теперь разберём основные принципы программирования с помощью стандартной библиотеки Wire.h:

Wire.begin(uint8_t address) - используется для инициализации устройства, в режиме слейва нужно ввести адрес, в режиме мастера Wire.begin() . Вместо Wire можно использовать любое другое слово.

Wire.requestFrom(uint8_t address, uint8_t quantity) – запрос на получения какого-то количества байт от определенного устройства(7 бит адрес). Возвращает число считанных байт.

Wire.beginTransmission(uint8_t address)- начало передачи

Wire.endTransmission()- конец передачи,возвращает номер ошибки или успех(0)

Wire.write(uint8_t data) –может принимать значение одиночного байта(value), нескольких байт(string), массива, определенной длинны (data, lenght). Располагается между: beginTransmission и endTransmission. Возращает число записанных байт.

Wire.available() – возвращает количество байт доступных для обработки. Вызывается мастером после requestFrom.

Wire.read() – считывает байт от ведомого устройства. Пишется после requestFrom.

Подключение библиотек к Ардуино IDE не представляет сложности, так как поставляется в комплекте со стандартным редактором.

Есть еще несколько функций, но думаю для начала этой основы вполне достаточно, к тому же почти на любую периферию можно найти библиотеку.

Для примера рассмотрим подключение и работу акселерометра и гироскопа Gy-521.

Подключаем согласно схеме (подтягивающие резисторы встроены в модуль):

Модуль может работать как от 3.3 вольт, так и от 5.

#include // подключаем библиотеку работы с i2c интерфейсом const int MPU_addr = 0x68; // I2C адрес GY-521 int16_t AcX, AcY, AcZ, Tmp, GyX, GyY, GyZ; // переменные для записи значений void setup() { Wire.begin(); // инициализируем i2c шину Wire.beginTransmission(MPU_addr); // начало передачи Wire.write(0x6B); // записываем определенные регистры для инициализации модуля Wire.write(0); // отправляем ноль для выведения модуля из сна Wire.endTransmission(true); Serial.begin(9600); } void loop() { Wire.beginTransmission(MPU_addr); Wire.write(0x3B); // начинаем с этого регистра Wire.endTransmission(false); Wire.requestFrom(MPU_addr, 14, true); // читаем все регистры AcX = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x3B AcY = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x3D AcZ = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x3F Tmp = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x41 GyX = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x43 GyY = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x45 GyZ = Wire.read() << 8 | Wire.read(); // 0x47 Serial.print("AcX = "); Serial.print(AcX); // выводим данные в Serial Serial.print(" | AcY = "); Serial.print(AcY); Serial.print(" | AcZ = "); Serial.print(AcZ); Serial.print(" | Tmp = "); Serial.print(Tmp / 340.00 + 36.53); // выводим температуры по формуле Serial.print(" | GyX = "); Serial.print(GyX); Serial.print(" | GyY = "); Serial.print(GyY); Serial.print(" | GyZ = "); Serial.println(GyZ); delay(333); }

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:

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.

Решил я сделать текстовую панель оператора(HMI) и подключить ее по «квадратной» шине I2C к Arduino. Для этого разработал на основе микросхемы PCF8574P плату клавиатуры из 5 кнопок.

PCF8574P это расширитель портов, корпус DIP, работает по шине I2C. Приобрел я партию из двух таких микросхем за 0.94$ с бесплатной доставкой из Китая, таким образом одна штука стоит 0.47$. Покупка выгодная, так как в местных магазинах эти же микросхемы стоят больше 2 долларов за штуку.

Дисплеем HMI будет стандартный экранчик 1602, так же через платку FC-113 работающий по квадратной шине.

PCF8574P выслали, дали трек-номер и через 2 недели я их уже получил на почте.


Извлекаем из пластиковой трубки, вроде бы все нормально.


Однако, снизу на корпусе одной из микросхем есть следы загадочных термомеханических воздействий.


Природа этих повреждений мне не ясна, но очевидно, что во время пересылки они появиться не могли.

Долго думал над этой загадкой, пока меня не осенило.
Просто на склад продавца пробрался Люк Скайуокер, вдруг уменьшившийся до микроскопических размеров. Там он приметил один из расширителей портов, спутал с имперским шагоходом и принялся рубить его световым мечем. Тут зашла комплектовальщица, увидела эту картину и такая говорит: «Прекрати, Люк Скайуокер! Это не имперский шагоход, это микросхема PCF8574P, за которую уже уплочено из Запорожья».

Хорошо хоть, обе микросхемы при проверке оказались рабочими.

Приступаем к созданию самой клавиатуры по такой схеме.


В Layout 6.0 нарисовал одностороннюю плату.


Скачать файл с платой можно .

Плату травил перекисью водорода и лимонной кислотой.

В сети много рецептов травления платы перекисью.
Я делал такой раствор: 100 мл перекиси водорода 3%, 50 г лимонной кислоты, 3 чайные ложки соли. Баночку с перекисью подогрел в кастрюле с водой.

Погружаем плату в раствор рисунком вниз, как рекомендуют при травлении перекисью.

Пшшшшшш! Сначала процесс идет бурно.


Пс… Потом заметно стихает. Переворачиваем, смотрим на рисунок.


Красота.


Готовая плата выглядит так.




Адресные ножки микросхемы подключены на GND, поэтому адрес платы на шине будет 0x20.

Пишем программу для Ардуино.

#include
#include

#define led 13
#define ADDR_KBRD 0x20
#define ADDR_LCD 0x27

String str;
byte dio_in;
bool b;
bool key;

LiquidCrystal_I2C lcd(ADDR_LCD,16,2); // Устанавливаем дисплей

Void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
lcd.init();
lcd.backlight();// Включаем подсветку дисплея
Wire.begin();

Wire.beginTransmission(ADDR_KBRD);
Wire.write(B11111111);
Wire.endTransmission();
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Wire.requestFrom(ADDR_KBRD,1);
while (!Wire.available());
byte dio_in = Wire.read(); //читаем состояние портов PCF8574P
byte mask=1;
for(int i=0; i<5;i++)
{
key[i]=!(dio_in & mask);
mask=mask<<1;
}

Str=String(dio_in, BIN); //
Serial.println(str);

B=!b;
digitalWrite(led, b);

//
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(String(key)+" "+
String(key)+" "+
String(key)+" "+
String(key)+" "+
String(key)+" "
);
delay(100);
}

Включаем, работает!


Мой HMI будет работать не просто с Arduino, а с ардуино-совместимым ПЛК . Если будет вдохновение и интерес читателей, напишу и про него как-нибудь.

Плюсы PCF8574P:
1. Минимальная обвязка.
2. Прост в работе.

Минусы PCF8574P:
У самой микросхемы не обнаружил, хотя и советую покупать у другого продавца.

На этом обзор микросхемы PCF8574P заканчиваю.
Но как опытный уже обозреватель, заранее отвечу на вопросы, которые обязательно зададут:

Почему в DIP корпусе? SOIC лучше.
При прочих равных, я предпочитаю DIP, мне с ними проще.

DIP и выводные элементы ставят только ламеры, все специалисты используют SOIC и SMD. Вот я паяю исключительно SMD и вообще я молодец.
Вы молодец.

Почему бы просто не купить на алиэкспрессе готовый модуль с дисплеем 1602 и клавиатурой 5 кнопок? Он тоже работает по I2C.
Его цена от 11 $.
Я же потратил:
Дисплей 1602 - 1.3 $
Плата FC-113 - 0.55 $
Микросхема PCF8574P - 0.47 $
Кнопки и колпачки - 0.7 $
Реактивы для травления платы - 0.3 $
Текстолит, резисторы и прочая мелочевка - бесплатно, из старых запасов.
Итого: 3.32 $
Но главное- на своей плате я поставил кнопки с квадратным толкателем что бы одеть на них красивые цветные колпачки.

Ого, всего одна микросхема PCF8574P стоит почти как целая плата FC-113!
Да уж…

Вы сделали все неправильно. Неправильно рисовали, неправильно травили в неправильном растворе и поставили неправильные кнопки. Я бы на вашем месте сделал все правильно.
Вы молодец.

Почему пятая кнопка так далеко от остальных?
Это специально так, они функционально различны. Те четыре это влево, вправо, отмена, ввод, а пятая будет SETUP.

Я ждал более захватывающую историю про Люка Скайуокера, вы меня обманули!
Я молодец.