Монк . - Программируем Arduino

В этой главе вы познакомились со всеми аспектами использования памяти и хранения данных в Arduino. В следующих главах мы займемся исследованием приемов программирования различных последовательных интерфейсов в Arduino, начав с шины I2C.

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.