Программируем Arduino - читать бесплатно онлайн полную версию книги автора Монк Саймон (7. Интерфейс I2C) #10

7. Интерфейс I2C

Интерфейсная шина I2C (произносится «и квадрат си») — стандартный способ подключения периферийных устройств к микроконтроллерам. Иногда интерфейс I2C называют двухпроводным интерфейсом (Two Wire Interface, TWI). Все платы Arduino имеют хотя бы один интерфейс I2C, к которому можно подключать широкий диапазон периферийных устройств. Некоторые из таких устройств представлены на рис. 7.1.

Все три устройства в верхнем ряду на рис. 7.1 являются модулями отображения информации, выпускаемыми компанией Adafruit. В нижнем ряду слева находится модуль УКВ-приемника TEA5767. Эти модули можно приобрести на сайте eBay или где-то в другом месте за несколько долларов. Приобретая модуль TEA5767, вы получаете полноценный приемник УКВ, который можно настроить на определенную частоту командами через интерфейс I2C. В центре находится модуль часов реального времени (Real-Time Clock, RTC), включающий микросхему обслуживания шины I2C и кварцевый резонатор, обеспечивающий высокую точность измерения времени. Установив текущие время и дату через интерфейс I2C, вы сможете в любой момент прочитать текущие время и дату через тот же интерфейс I2C. Этот модуль включает также литиевую батарейку с длительным сроком службы, обеспечивающую работу модуля даже в отсутствие электропитания от внешнего источника. Наконец, справа находится 16-канальный ШИМ/сервопривод, добавляющий к вашей плате Arduino 16 дополнительных аналоговых выходов.

Рис. 7.1. Устройства с интерфейсом I2C

Стандарт I2C определяется как стандарт шины, потому что допускает подключение множества устройств друг к другу. Например, если вы уже подключили дисплей к микроконтроллеру, к той же паре контактов на «ведущем» устройстве можно подключить целое множество «ведомых» устройств. Плата Arduino выступает в роли «ведущего» устройства, а все «ведомые» устройства имеют уникальные адреса, идентифицирующие устройства на шине.

На рис. 7.2 изображена возможная схема подключения к плате Arduino двух компонентов I2C: часов реального времени и модуля дисплея.

Через интерфейс I2C можно также соединить две платы Arduino и организовать обмен данными между ними. В этом случае одна из плат должна быть настроена как ведущее устройство, а другая — как ведомое.

Рис. 7.2. Arduino управляет двумя устройствами I2C

Аппаратная часть I2C

Электрически линии соединения интерфейса I2C могут действовать подобно цифровым выходам или входам (их также называют выводами с тремя состояниями). В третьем состоянии линии соединения не находятся ни в одном из состояний, HIGH или LOW, а имеют плавающий уровень напряжения. Кроме того, выходы являются логическими элементами с открытым коллектором, то есть они требуют использования подтягивающего сопротивления. Эти сопротивления должны иметь номинал 4,7 кОм, и только одна пара контактов на всей шине I2C должна подключаться через подтягивающее сопротивление к шине питания 3,3 В или 5 В в зависимости от уровня напряжения, на котором действует шина. Если какое-то устройство на шине имеет другое напряжение питания, для его подключения необходимо использовать преобразователь уровня напряжения. Для шины I2C можно использовать модули двунаправленного преобразования, такие как BSS138, выпускаемые компанией Adafruit (www.adafruit.com/products/757).

На разных моделях Arduino интерфейс I2C подключается к разным контактам. Например, в модели Uno используются контакты A4 и A5 — линии SDA и SCL соответственно, а в модели Leonardo используются контакты D2 и D3. (Подробнее о линиях SDA и SCL рассказывается в следующем разделе.) На обеих моделях линии SDA и SCL выводятся также на колодку, находящуюся рядом с контактом AREF (рис. 7.3).

В табл. 7.1 перечисляются наиболее распространенные модели платы Arduino и контакты, соответствующие интерфейсу I2C.

Рис. 7.3. Контакты I2C на плате Arduino Uno

Таблица 7.1. Контакты I2C в разных моделях Arduino

Модель	Контакты	Примечания
Uno	A4 (SDA) и A5 (SCL)	Контакты подписаны SCL и SDA и находятся рядом с контактом AREF. Эти линии интерфейса выводятся также на контакты A4 и A5
Leonardo	D2 (SDA) и D3 (SCL)	Контакты подписаны SCL и SDA и находятся рядом с контактом AREF. Эти линии интерфейса выводятся также на контакты D2 и D3
Mega2560	D20 (SDA) и D21 (SCL)	—
Due	D20 (SDA) и D21 (SCL)	Модель Due имеет вторую пару контактов I2C, подписанных SDA1 и SCL1

Протокол I2C

Для передачи и приема данных через интерфейс I2C используются две линии (отсюда второе название — двухпроводной интерфейс, Two Wire Interface). Эти две линии называют также тактовой линией (Serial Clock Line, SCL) и линией данных (Serial Data Line, SDA). На рис. 7.4 изображена временная диаграмма сигнала, передаваемого через интерфейс I2C.

Рис. 7.4. Временная диаграмма сигнала, передаваемого через интерфейс I2C

Ведущее устройство генерирует тактовые импульсы на линии SCL, и, когда имеются данные для передачи, отправитель (ведущее или ведомое устройство) выводит линию SDA из третьего состояния (в режим цифрового выхода) и посылает данные в виде логических нулей и единиц в моменты положительных импульсов тактового сигнала. По окончании передачи вывод тактовых импульсов может быть остановлен, и линия SDA возвращается в третье состояние.

Библиотека Wire

Можно, конечно, генерировать описанные ранее импульсы самостоятельно, управляя битами, то есть включая и выключая цифровые выходы программно. Но чтобы упростить нам жизнь, в составе программного обеспечения для Arduino имеется библиотека Wire, принимающая на себя все сложности, связанные с синхронизацией, и позволяющая нам просто посылать и принимать байты данных.

Чтобы задействовать библиотеку Wire, ее сначала нужно подключить командой

#include

Инициализация I2C

В большинстве случаев плата Arduino играет роль ведущего устройства на любой шине I2C. Чтобы инициализировать Arduino как ведущее устройство, нужно выполнить команду begin в функции setup, как показано далее:

void setup()

{

Wire.begin();

}

Обратите внимание: поскольку в данном случае плата Arduino действует как ведущее устройство, ей не нужно присваивать адрес. Если бы плата настраивалась на работу в режиме ведомого устройства, нам пришлось бы присвоить адрес в диапазоне от 0 до 127, передав его как параметр, чтобы уникально идентифицировать плату на шине I2C.

Отправка данных ведущим устройством

Чтобы отправить данные устройству на шине I2C, сначала нужно выполнить функцию beginTransmission и передать ей адрес устройства-получателя:

Wire.beginTransmission(4);

Отправка данных устройствам на шине I2C может производиться побайтно или целыми массивами типа char, как показано в следующих двух примерах:

Wire.send(123); // передача байта со значением 123

Wire.send("ABC"); // передача строки символов "ABC"

По окончании передачи должна вызываться функция endTransmission:

Wire.endTransmission();

Прием данных ведущим устройством

Чтобы принять данные от ведомого устройства, сначала нужно указать количество ожидаемых байтов вызовом функции requestFrom:

Wire.requestFrom(4, 6); // запросить 6 байт у устройства с адресом 4

В первом аргументе этой функции передается адрес ведомого устройства, от которого ведущее устройство желает получить данные, а во втором аргументе — количество байтов, которое ожидается получить. Ведомое устройство может передать меньшее количество байтов, поэтому, чтобы определить, были ли получены данные и сколько байтов действительно получено, необходимо использовать функцию available. Следующий пример (взят из пакета примеров, входящих в состав библиотеки Wire) демонстрирует, как ведущее устройство принимает все полученные данные и выводит их в монитор последовательного порта:

#include

void setup() {

Wire.begin(); // подключиться к шине i2c (для ведущего

// устройства адрес не указывается)

Serial.begin(9600); // инициализировать монитор последовательного порта

}

void loop() {

Wire.requestFrom(8, 6); // запросить 6 байт у ведомого устройства #8

while (Wire.available()) { // ведомое устройство может прислать меньше

char c = Wire.read(); // принять байт как символ

Serial.print(c); // вывести символ

}

delay(500);

}

Библиотека Wire автоматически буферизует входящие данные.

Примеры использования I2C

Любое устройство I2C должно иметь сопроводительное техническое описание, где перечисляются поддерживаемые им сообщения. Такие описания необходимы, чтобы конструировать сообщения для отправки ведомым устройствам и интерпретировать их ответы. Однако для многих устройств I2C, которые можно подключить к плате Arduino, существуют специализированные библиотеки, обертывающие сообщения I2C в простые и удобные функции. Фактически, если вам придется работать с каким-то устройством, для которого отсутствует специализированная библиотека, опубликуйте собственную библиотеку для всеобщего использования и заработайте себе несколько очков в карму.

Даже если полноценная библиотека поддержки того или иного устройства отсутствует, часто в Интернете можно найти полезные фрагменты кода, демонстрирующие работу с устройством.

УКВ-радиоприемник TEA5767

В первом примере, демонстрирующем взаимодействие с устройством I2C, библиотека не используется. Здесь осуществляется обмен фактическими сообщениями между Arduino и модулем TEA5767. Данный модуль можно купить в Интернете очень недорого, он легко подключается к плате Arduino и используется как УКВ-приемник, управляемый Arduino.

Самый сложный этап — подключение устройства. Контактные площадки очень маленькие и расположены очень близко друг к другу, поэтому многие предпочитают смастерить или купить адаптер для подключения к плате.

На рис. 7.5 изображена схема подключения модуля к Arduino.

Рис. 7.5. Подключение модуля TEA5767 к плате Arduino Uno через интерфейс I2C

Техническое описание модуля TEA5767 можно найти по адресу www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/General/TEA5767.pdf. Описание содержит массу технической информации, но, если пробежать взглядом по документу, можно заметить раздел с подробным описанием сообщений, распознаваемых устройством. В документации указывается, что TEA5767 принимает сообщения длиной 5 байт. Далее приводится полностью работоспособный пример, выполняющий настройку частоты сразу после запуска. На практике же обычно требуется несколько иной механизм настройки, например на основе кнопок и жидкокристаллического дисплея.

// sketch_07_01_I2C_TEA5767

#include

void setup()

{

Wire.begin();

setFrequency(93.0); // МГц

}

void loop()

{

}

void setFrequency(float frequency)

{

unsigned int frequencyB = 4 * (frequency * 1000000 + 225000) / 32768;

byte frequencyH = frequencyB >> 8;

byte frequencyL = frequencyB & 0XFF;

Wire.beginTransmission(0x60);

Wire.write(frequencyH);

Wire.write(frequencyL);

Wire.write(0xB0);

Wire.write(0x10);

Wire.write(0x00);

Wire.endTransmission();

delay(100);

}

Весь код, представляющий для нас интерес в этом примере, находится в функции setFrequency. Она принимает вещественное число — частоту в мегагерцах. То есть, если вы пожелаете собрать и опробовать этот проект, узнайте частоту, на которой вещает местная радиостанция с хорошим сильным сигналом, и вставьте ее значение в вызов setFrequency в функции setup.

Чтобы преобразовать вещественное значение частоты в двухбайтное представление, которое можно послать в составе пятибайтного сообщения, нужно выполнить некоторые арифметические операции. Эти операции выполняет следующий фрагмент:

unsigned int frequencyB = 4 * (frequency * 1000000 + 225000) / 32768;

byte frequencyH = frequencyB >> 8;

byte frequencyL = frequencyB & 0XFF;

Команда >> сдвигает биты вправо, то есть операция >> 8 сдвинет старшие 8 бит в сторону младших на 8 двоичных разрядов. Оператор & выполняет поразрядную операцию И (AND), которая в данном случае сбросит старшие 8 бит и оставит только младшие. Более полное обсуждение операций с битами вы найдете в главе 9.

Остальной код в функции setFrequency инициализирует передачу сообщения I2C ведомому устройству с адресом 0x60, который закреплен за приемником TEA5767. Затем осуществляется последовательная передача 5 байт, начиная с 2 байт частоты.

Прочитав документацию, вы узнаете о множестве других возможностей, доступных посредством разных сообщений, например о сканировании диапазона, выключении одного или двух каналов вывода звука и выборе режима моно/стерео.

В приложении мы еще вернемся к этому примеру и создадим библиотеку для Arduino, чтобы упростить работу с модулем TEA5767.

Взаимодействие между двумя платами Arduino

Во втором примере используются две платы Arduino, одна действует как ведущее устройство I2C, а другая — как ведомое. Ведущее устройство будет посылать сообщения ведомому, которое, в свою очередь, будет выводить их в монитор последовательного порта, чтобы можно было наглядно убедиться, что схема работает.

Схема соединения плат для этого примера показана на рис. 7.6. Обратите внимание на то, что модуль TEA5767 имеет встроенные подтягивающие сопротивления на линиях I2C. Однако в данном случае, когда друг к другу подключаются две платы Arduinos, такие резисторы отсутствуют, поэтому понадобится включить свои сопротивления с номиналом 4,7 кОм (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Соединение двух плат Arduino через интерфейс I2C

В платы должны быть загружены разные скетчи. Оба скетча включены в состав примеров для библиотеки Wire. Программа для ведущей платы Arduino находится в меню File—>Example—>Wire—>master_writer (Файл—> Примеры—>Wire—>master_writer), а для ведомой платы — в меню File—> Example—>Wire—>slave_receiver (Файл—>Примеры—>Wire—>slave_receiver).

Запрограммировав обе платы, оставьте ведомую подключенной к компьютеру, чтобы увидеть вывод с этой платы в монитор последовательного порта и обеспечить питание ведущей платы Arduino.

Начнем со скетча в ведущей плате:

#include

void setup() {

Wire.begin(); // подключиться к шине i2c (для ведущего устройства

// адрес не указывается)

}

byte x = 0;

void loop() {

Wire.beginTransmission(4); // инициализировать передачу устройству #4

Wire.write("x is "); // послать 5 байт

Wire.write(x); // послать 1 байт

Wire.endTransmission(); // остановить передачу

x++;

delay(500);

}

Этот скетч генерирует сообщение вида x is 1, где 1 — число, увеличивающееся каждые полсекунды. Затем сообщение посылается ведомому устройству с адресом 4, как определено в вызове beginTransmission.

Задача ведомого скетча — принять сообщение от ведущего устройства и вывести его в монитор последовательного порта:

#include

void setup() {

Wire.begin(4); // подключиться к шине i2c с адресом #4

Wire.onReceive(receiveEvent); // зарегистрировать обработчик события

Serial.begin(9600); // открыть монитор последовательного порта

}

void loop() {

delay(100);

}

// эта функция вызывается всякий раз, когда со стороны ведущего устройства

// поступают очередные данные, эта функция зарегистрирована как обработчик

// события, см. setup()

void receiveEvent(int howMany) {

while (1 < Wire.available()) { // цикл по всем принятым байтам, кроме

// последнего

char c = Wire.read(); // прочитать байт как символ

Serial.print(c); // вывести символ

}

int x = Wire.read(); // прочитать байт как целое число

Serial.println(x); // вывести целое число

}

Первое, на что следует обратить внимание в этом скетче, — функции Wire.begin передается параметр 4. Он определяет адрес ведомого устройства на шине I2C, в данном случае 4. Он должен соответствовать адресу, который используется ведущим устройством для отправки сообщений.

СОВЕТ

К одной двухпроводной шине можно подключить множество ведомых плат Arduino при условии, что все они будут иметь разные адреса I2C.

Скетч для ведомой платы отличается от скетча для ведущей платы, потому что использует прерывания для приема сообщений, поступающих от ведущего устройства. Установка обработчика сообщений выполняется функцией onReceive, которая вызывается подобно подпрограммам обработки прерываний (глава 3). Вызов этой функции нужно поместить в функцию setup, чтобы обеспечить вызов пользовательской функции receiveEvent при получении любых поступающих сообщений.

Функция receiveEvent принимает единственный параметр — количество байт, готовых для чтения. В данном случае это число игнорируется. Цикл while читает по очереди все доступные символы и выводит их в монитор последовательного порта. Затем выполняются чтение единственного однобайтного числа в конце сообщения и его вывод в монитор порта. Использование println вместо write гарантирует, что значение байта будет выведено как число, а не символ с соответствующим числовым кодом (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Вывод в монитор порта сообщений, получаемых одной платой Arduino от другой через интерфейс I2C

Платы со светодиодными индикаторами

Еще один широкий спектр устройств I2C — разного рода дисплеи. Наиболее типичными представителями этих устройств являются светодиодные матрицы и семисегментные индикаторы, производимые компанией Adafruit. Они содержат светодиодные дисплеи, смонтированные на печатной плате, и управляющие микросхемы с поддержкой интерфейса I2C. Такое решение избавляет от необходимости использовать большое число контактов ввода/вывода на плате Arduino для управления светодиодным дисплеем и позволяет обойтись всего двумя контактами, SDA и SCL.

Эти устройства (верхний ряд на рис. 7.1) используются вместе с библиотеками, имеющими исчерпывающий набор функций для отображения графики и текста на светодиодных дисплеях компании Adafruit. Больше информации об этих красочных и интересных устройствах можно найти на странице www.adafruit.com/products/902.

Библиотеки скрывают все взаимодействия через интерфейс I2C за своим фасадом, давая возможность пользоваться высокоуровневыми командами, как демонстрирует следующий фрагмент, взятый из примера, входящего в состав библиотеки:

#include

#include "Adafruit_LEDBackpack.h"

#include "Adafruit_GFX.h"

Adafruit_8x8matrix matrix = Adafruit_8x8matrix();

void setup()

{

matrix.begin(0x70);

matrix.clear();

matrix.drawLine(0, 0, 7, 7, LED_RED);

matrix.writeDisplay();

}

Часы реального времени DS1307

Еще одно распространенное устройство I2C — модуль часов реального времени DS1307. Для этого модуля также имеется удобная и надежная библиотека, упрощающая взаимодействие с модулем и избавляющая от необходимости иметь дело с фактическими сообщениями I2C. Библиотека называется RTClib и доступна по адресу https://github.com/adafruit/RTClib.

Следующие фрагменты кода тоже взяты из примеров, поставляемых с библиотекой:

#include

#include "RTClib.h"

RTC_DS1307 RTC;

void setup ()

{

Serial.begin(9600);

Wire.begin();

RTC.begin()

if (! RTC.isrunning()) {

Serial.println("RTC is NOT running!");

// записать в модуль дату и время компиляции скетча

RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__));

}

void loop () {

DateTime now = RTC.now();

Serial.print(now.year(), DEC);

Serial.print('/');

Serial.print(now.month(), DEC);

Serial.print('/');

Serial.print(now.day(), DEC);

Serial.print(" (");

Serial.print(daysOfTheWeek[now.dayOfTheWeek()]);

Serial.print(") ");

Serial.print(now.hour(), DEC);

Serial.print(':');

Serial.print(now.minute(), DEC);

Serial.print(':');

Serial.print(now.second(), DEC);

Serial.println();

delay(1000);

}

Если вам интересно увидеть, как в действительности выполняются взаимодействия через интерфейс I2C, просто загляните в файлы библиотеки. Например, исходный код библиотеки RTClib хранится в файлах RTClib.h и RTClib.cpp. Эти файлы находятся в папке libraries/RTClib.

Например, в файле RTClib.cpp можно найти определение функции now:

DateTime RTC_DS1307::now() {

Wire.beginTransmission(DS1307_ADDRESS);

Wire.write(i);

Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(DS1307_ADDRESS, 7);

uint8_t ss = bcd2bin(Wire.read() & 0x7F);

uint8_t mm = bcd2bin(Wire.read());

uint8_t hh = bcd2bin(Wire.read());

Wire.read();

uint8_t d = bcd2bin(Wire.read());

uint8_t m = bcd2bin(Wire.read());

uint16_t y = bcd2bin(Wire.read()) + 2000;

return DateTime (y, m, d, hh, mm, ss);

}

Функция Wire.read возвращает значения в двоично-десятичном формате (Binary-Coded Decimal, BCD), поэтому они преобразуются в байты с помощью библиотечной функции bcd2bin.

В формате BCD байт делится на два 4-битных полубайта. Каждый полубайт представляет одну цифру двузначного десятичного числа. Так, число 37 в формате BCD будет представлено как 0011 0111. Первые четыре бита соответствуют десятичному значению 3, а вторые четыре бита — значению 7.

В заключение

В этой главе вы познакомились с интерфейсом I2C и приемами его использования для организации взаимодействий плат Arduino с периферийными устройствами и другими платами Arduino.

В следующей главе мы исследуем еще одну разновидность последовательного интерфейса, используемого для взаимодействий с периферией. Он называется 1-Wire. Этот интерфейс не получил такого широкого распространения, как I2C, но он используется в популярном датчике температуры DS18B20.