Давайте разберемся с самой удобной коммуникацией физически заложенной в контроллеры Arduino. Обмен даными Arduino по протоколу 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.

#include #include // Set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); int nano1=0; int nano2; int nano3; void setup() { Serial.begin(9600); // initialize the LCD lcd.begin(); // Turn on the blacklight and print a message. lcd.backlight(); } void loop() { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(nano1); Wire.requestFrom(2, 2); // request 6 bytes from slave device #8 int i=0;nano2=0; while (Wire.available()) { // slave may send less than requested byte c = Wire.read(); // receive a byte as character Serial.print(c); if (i==0) nano2 = ((c & 0xff) << 8); else nano2 = nano2 | c; i++; } Serial.println(""); Serial.println(nano2); lcd.setCursor(9, 0); lcd.print(nano2); delay(100); Wire.requestFrom(3, 2); // request 6 bytes from slave device #8 i=0;nano3=0; while (Wire.available()) { // slave may send less than requested byte c = Wire.read(); // receive a byte as character Serial.print(c); if (i==0) nano3 = ((c & 0xff) << 8); else nano3 = nano3 | c; i++; } lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(nano3); delay(100); nano1++; delay(800); }

Первый 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

#include int nano2=0; byte high; void setup() { Wire.begin(2); // join i2c bus with address #8 Wire.onRequest(requestEvent); // register event } void loop() { delay(1000); nano2--; } // function that executes whenever data is requested by master // this function is registered as an event, see setup() void requestEvent() { high = (nano2 >>

Программа третьего Arduino Nano

#include int nano2=0; byte high; void setup() { Wire.begin(3); // join i2c bus with address #8 Wire.onRequest(requestEvent); // register event } void loop() { delay(1500); nano2--; } // function that executes whenever data is requested by master // this function is registered as an event, see setup() void requestEvent() { high = (nano2 >> 8); high = (nano2 & 0xff); Wire.write(high); // respond with message of 2 bytes Wire.write(high); }

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.

Вам понадобится

- Arduino;
- цифровой потенциометр AD5171;
- светодиод;
- резистор на 220 Ом;
- 2 резистора на 4,7 кОм;
- соединительные провода.

Инструкция

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".

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:
Arduino Pro и Pro Mini - A4 (SDA), A5 (SCL)
Arduino Mega - 20 (SDA), 21 (SCL)
Arduino Leonardo - 2 (SDA), 3 (SCL)
Arduino Due - 20 (SDA), 21 (SCL), SDA1, SCL1

Для облегчения обмена данными с устройствами по шине I2C для Arduino написана стандартная библиотека "Wire". Она имеет следующие функции:
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.

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, который подключается к шине I2C. Адрес, по которому мы будем обращаться к потенциометру - 0x2c (44 в десятичной системе).

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); }

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.