Arduino i2c подключение нескольких устройств. PCF8574P: подключение кнопок к Arduino по шине I2C или Люк Скайуокер наносит удар

Протокол обмена данными I2C в свое время был разработан компанией Philips. Название I2C произошло от английского Iner-IC управления или по другому межмикросхемного управления, Inter-IC,IIC (I2C) -название одного и того же протокола.

Данный протокол или интерфейс обеспечивате качественный прием и передачу информации (данных) от нескольких различных устройств, к примеру можно измерять температуру и одновременно управлять цифровым потенциометром. Общение происходит програмно, алгоритм общения с датчиком по протоколу I2С записывается в программу Arduino (скетч).

Существуют специальные переходники которые позволяют подключать другие устройства, к примеру имея переходник можно по двум проводом подключить arduino дисплей 1602 (16x2) LCD по протоколу i2c. По запросу LCD i2c на просторах интернета куча информации, вот пример того как должен выглядить переходник под дисплей http://www.ebay.com/itm/310565362720

При работе по этому интерфейсу, одно устройство является ведущим а другое ведомым. Ведущее устройство инициализирует передачу и генерирует сигналы необходимые для синхронизации.

Вемое в свою очередь зависит от ведущего, и начинает передачу данных только после получения команды от ведущего устройства.

Устройство подключенное к шине I2C имеет свой уникальный адрес. Именно по этому адресу осуществляется обращения ведущего устройства.

Пример подключения датчиков по протоколу I2C

Подключение осуществляется по двум проводам: SCL- сигнала тактирования или тактового сигнала и SDA - сигнала данных. При этом к шине I2C можно подключать любое количество различных датчиков (ведомых устройств), имеющие свои уникальные id.

Знакомство начинается со специально написанной для этих целей библиотеки, имя которой Wire. Перед началом работы ее необходимо импортировать в проект,она имеет специальные команды или методы для "общения" с устройствами.

Для обмена данными с устройствами нужно знать их id. Различные устройства могут иметь разную длину адреса (id) 8 или 7 бит.В библиотеке Wire используется 7-ми битная адресация.

Подключение ведомых устройств осуществляется к выводам на плате Arduino. Каждая версия Arduino имеет свои выводы I2C

• UNO - A4(SDA), A5(SCL);
• Mega - 20(SDA), 21(SCL);
• Leonardo- 2(SDA), 3(SCL);
• Due - 20(SDA), 21(SCL),SDA1,SCL1;

Пример код программы для управления цифровым потенциометром при помощи библиотеки Wire

Данный пример показывает как устанавливать определенное значение сопротивление в цифровом потенциометре при помощи библиотеки Wire. Установка определенного значения осуществляется при помощи переменной val.

#include void setup() { Wire.begin(); // join i2c bus (address optional for master) } byte val = 0; void loop() { Wire.beginTransmission(44); // transmit to device #44 (0x2c) // device address is specified in datasheet Wire.write(byte(0x00)); // sends instruction byte Wire.write(val); // sends potentiometer value byte Wire.endTransmission(); // stop transmitting val++; // increment value if (val == 64) // if reached 64th position (max) { val = 0; // start over from lowest value } delay(500); }

Видео работы I2C и Arduino. Часть 1

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.

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); }

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.

LCD I2C модуль позволить подключить символьный дисплей к плате Arduino всего по двум сигнальным проводам.

Используемые компоненты (купить в Китае):

. Управляющая плата

. Соединительные провода

Основные технические характеристики:

Дисплей: Символьный 16х02 либо 20x04
. Подсветка: Синяя c белыми символами
. Контраст: Настраивается потенциометром
. Напряжение питания: 5В
. Интерфейс: I2C
. I2C адрес: 0x27
. Размеры: 82мм x 35мм x 18мм

Подключение к Arduino

Модуль оборудован четырех-пиновым разъемом стандарта 2.54мм

SCL : последовательная линия тактирования (Serial CLock)

SDA : последовательная линия данных (Serial DAta)

VCC : "+" питания

GND : "-" питания

Выводы отвечающие за интерфейс I2C на платах Arduino на базе различных контроллеров разнятся

Для работы с данным модулем необходимо установить библиотеку LiquidCrystal_I2C1602V1

Скачиваем, распаковываем и закидываем в папку libraries в папке Arduino. В случае, если на момент добавления библиотеки, Arduino IDE была открытой, перезагружаем среду.

Переходим непосредственно к скетчу. В данном примере выведем стандартный "Hello, world!" и для адрес нашего сообщества.

пример программного кода: