I2C

I2C – это протокол последовательной связи для низкоскорост- ных устройств. Компания Phillips Semiconductors разработала I2C в 1980-х годах­ для связи между компонентами на одной печатной плате, но вы можете также использовать его между компонента- ми, соединенными кабелем. В мире интернета вещей вы часто най- дете его в микроконтроллерах, интерфейсах ввода/вывода,таких как клавиатуры и кнопки, обычных бытовых и корпоративных устрой- ствах,атакжедатчикахвсехтипов.Важноотметить,чтодажедатчики во многих промышленных системах управления (ICS) используютI2C, благодаря чему он получил большое распространение.

Основным преимуществом этого протокола является его про- стота. Вместо четырех проводов, которые использует SPI, I2C имеет двухпроводнойинтерфейс.Крометого,оборудованиебезвстроенной поддержки I2C может использовать I2C через контакты ввода/вывода общего назначения. Но его простота и тот факт, что все данные пере- даются по одной и той же шине,повышают риски,если злоумышлен- ник хочет перехватить данные или ввести свои собственные. Причи- на в том, что в устройствах IoT, использующих одну и ту же шину I2C, не предусмотрена аутентификация компонентов.

Как работает I2C

Простота I2C позволяет оборудованию обмениваться данными без строгихтребованийкскорости.Впротоколеиспользуютсятрилинии:

линия последовательной передачи данных (SDA) для передачи данных, последовательная линия синхронизации(SCL)для определения момен-

та считывания данных и линия заземления (GND). Линии SDA и SCL подключены к периферийным устройствам, и они представляют со- бой драйверы с открытым стоком: обе линии необходимо подклю- чить к резисторам. (Вам понадобится только один резистор для ка- ждойлинии,а не по одномудля каждого периферийного устройства.) Напряженияварьируютсямежду1,8,3,3и5,0В,апередачимогутпро- исходить с четырьмя разными скоростями: 100 кГц или начальной скоростью в соответствии со спецификациями I2C; 400 кГц–быстрый режим; 1 МГц – высокоскоростной режим и 3,2 МГц – сверхбыстрый режим.

Каки последовательныйпериферийныйинтерфейсSPI, I2C использу-

ет конфигурацию контроллера и периферии. Компоненты передают данныеполинииSDAбитзабитомввосьмибитныхпоследовательно-

SPI И I2C  235

Таблица 8.2.Сообщение I2C,отправленное на периферийное устройство через SDA

Контроллер начинает каждое сообщение с состояния шины START, которое сигнализирует о начале сообщения. Затем он отправляет адреспериферийногоустройства,которыйобычноимеетдлину7бит, но может иметь длину до 10 бит. Это позволяет использовать до 128 (при использовании 7-битных адресов) или до 1024 периферийных устройств (при использовании 10-битных адресов) на одной шине. Контроллер также добавляет бит чтения/записи, который указывает тип выполняемой операции. Бит ACK/NACK указывает, каким будет следующий сегмент данных. I2C делит фактические данные на вось- мибитные последовательности, каждая из которых заканчивается другим битом ACK/NACK. Контроллер завершает сообщение, фор- мируя состояние STOP. Для получения дополнительной информации о протоколе посетите https://www.i2c-bus.org/.

Как упоминалосьранее,протокол I2C поддерживаетнесколько кон- троллеров на одной шине. Это важно, потому что, подключившись к шине,мы могли бы действовать как другой контроллер,а затем чи- тать и отправлять данные на периферийные устройства.

В следующем разделе настроим нашу собственную архитектуру шины I2C.

Настройка архитектуры шины I2C типа «контроллер–периферия»

Чтобы продемонстрировать, как отслеживать обмен данными I2C и записывать данные на периферийные устройства на шине,давайте построим классическую архитектуру шины связи контроллера и пе- риферии с помощью следующего оборудования с открытым исход- ным кодом:

zzмикроконтроллера Arduino Uno ( https://store.arduino.cc/usa/ardui- no-uno-rev3/), который будет действовать в качестве контроллера шины;

zzодногоилинесколькихсветодиодовRGB,управляемых по I2C (https:

//www.sparkfun.com/products/8579/), – в качестве периферийных устройств.Полнуюдокументацию по светодиодам BlinkM,вклю- чаяпримерыдругихспособовихпрограммирования,вынайдете на странице https://thingm.com/products/blinkm/.

236  Глава 8

Рис.8.7.Аналоговые контакты расположены в правом нижнем углу Arduino Uno

Затем найдите контакты GND (–), PWR (+), SDA (d) и SCL (c) на све- тодиоде BlinkM, проверив метку в верхней части каждого ряда кон- тактов, как показано на рис. 8.8.

Теперь используйте макетную плату для подключения светодиода BlinkM и кабелей к соответствующим контактам платы Arduino, опи- раясь на данные табл. 8.4.

SPI И I2C  237

Рис.8.8.Контакты BlinkM GND,PWR,data и clock четко обозначены

Таблица 8.4.Подключения Arduino/BlinkM

На рис. 8.9 показаны эти соединения.

Рис.8.9.Мы можем соединить SDA и SCL без использования внешних резисторов, потому что выводы Arduino имеют встроенные резисторы

238  Глава 8

Рис.8.10.Шина I2C поддерживает до 128 периферийных устройств с 7-битными адресами

Послеподключенияконтроллера(Arduino)ипериферийногоустрой- ства (светодиод BlinkM) запрограммируйте Arduino на подключение кшинеI2Cиотправкунекоторыхкомандпериферийнымустройствам. Мы будем использовать Arduino IDE для написания программы. Смо- тритеглаву7дляознакомлениясArduino,атакжеинструкциипоуста- новке. В среде IDE выберите плату Arduino, которую вы используете, нажав Tools > Board > Arduino/Genuino UNO (Инструменты > Плата > Arduino/Genuino Uno),а затем загрузите код из листинга 8.1.

Листинг 8.1. Код контроллера I2C, который будет управлять светодиодом BlinkM RGB

#include <Wire.h>

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); //Отключить встроенный светодиод Arduino pinMode(A3, OUTPUT); //Настроить вывод A3 как выход

SPI И I2C  239

Рис.8.11.Светодиоды BlinkM получают сигналы через I2C от Arduino Uno

240  Глава 8

Рис.8.12.Настройка PuTTY для подключения к Bus Pirate

Выберите 4, чтобы выбрать режим I2C, а затем установите желае- мую скорость:

(1)>4

Set speed:

1.~5KHz

2.~50KHz

3.~100KHz

4.~400KHz

(1)>4 Ready

Мы устанавливаем скорость4,что соответствуетпримерно 400 кГц, или быстродействию I2C, потому что на этой скорости работает конт­ роллер Arduino Uno. Библиотека I2C поддерживает два макроса. Пер- вый – макрос поиска адреса, который автоматически пробует каждый адрес I2C. Затем он ищет ответ, чтобы определить, сколько перифе- рийных устройств подключено и можете ли вы использовать какие-­

242  Глава 8