I2C (межинтегральная схема)

Определение I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C, что расшифровывается как Inter-Integrated Circuit (межинтегральная схема), — это широко используемый последовательный коммуникационный протокол, который позволяет нескольким устройствам коммуницировать друг с другом с использованием двухпроводного интерфейса. Обычно его используют для подключения низкоскоростных периферийных устройств к материнской плате, встроенным системам или микроконтроллерам.

I2C использует архитектуру «ведущий-ведомый», где одно устройство выступает в роли ведущего и инициирует связь, а другие устройства работают как ведомые и отвечают на запросы ведущего. Протокол поддерживает конфигурацию с несколькими ведущими, что означает, что несколько устройств могут быть подключены к одной шине, что позволяет им общаться друг с другом.

В I2C-шине есть две основные линии:

• Серийные данные (SDA): Эта двунаправленная линия передает данные между ведущими и ведомыми устройствами.
• Серийный тактовый сигнал (SCL): Эта линия передает прямоугольные импульсы, которые синхронизируют передачу данных между устройствами.

Связь по I2C может осуществляться на разных скоростях, которые обычно называют скоростями шины I2C. Наиболее распространенные скорости шины: стандартный режим (до 100 кбит/с), быстрый режим (до 400 кбит/с) и высокоскоростной режим (до 3,4 Мбит/с).

Как работает I2C

Протокол I2C использует механизм «старт-стоп» для установления связи между ведущими и ведомыми устройствами. Условие старта указывает на начало передачи данных, в то время как условие стопа отмечает её конец. Процесс связи включает следующие этапы:

1. Условие старта: Ведущее устройство инициирует связь, посылая условие старта. Оно переводит линию SDA в низкий уровень, пока линия SCL остаётся в высоком уровне.

2. Адресация: После условия старта ведущее устройство отправляет 7-битный адрес ведомого устройства, с которым оно хочет связаться, и бит чтения или записи. Бит чтения указывает, что ведущее устройство хочет получить данные от ведомого, в то время как бит записи указывает, что ведущее устройство хочет отправить данные ведомому. Каждое ведомое устройство на шине имеет уникальный адрес.

3. Подтверждение: Как только ведомое устройство с указанным адресом получает адресные биты, оно отвечает битом подтверждения (ACK). ACK — это подтягивание линии SDA к низкому уровню ведомым устройством.

4. Передача данных: После процесса адресации ведущее и ведомое устройства могут передавать данные друг другу. Данные передаются в 8-битных сегментах, и каждый сегмент сопровождается ACK от принимающего устройства. Этот процесс продолжается, пока ведущее устройство не решит прекратить связь.

5. Условие стопа: Ведущее устройство генерирует условие стопа, переводя линию SDA в высокий уровень, пока линия SCL остаётся в высоком уровне. Условие стопа информирует ведомые устройства о завершении связи.

Важно отметить, что во время передачи данных линия SDA может изменяться только тогда, когда линия SCL находится в низком уровне. Это обеспечивает синхронизированную связь между ведущим и ведомыми устройствами.

Преимущества I2C

• Простота: I2C обладает простой архитектурой и легко реализуется, что делает его подходящим для широкого спектра приложений.
• Гибкость: Возможность подключения нескольких устройств к одной шине, наряду с поддержкой нескольких ведущих, делает I2C высокогибким и адаптируемым.
• Эффективность: I2C использует систему общей шины, где устройства могут коммуницировать без необходимости в отдельных линиях передачи и приёма, что приводит к эффективному использованию аппаратных ресурсов.
• Низкая скорость, низкая мощность: I2C предназначен для низкоскоростной связи, что делает его идеальным для подключения низкоэнергетических устройств. Он потребляет минимальную мощность по сравнению с другими протоколами связи.

Ограничения I2C

• Ограниченная скорость: Хотя I2C подходит для низкоскоростных приложений, он может не быть лучшим выбором для высокоскоростной передачи данных из-за его внутренних ограничений.
• Ограничение расстояния: Максимальное расстояние между устройствами на I2C-шине обычно ограничено, как правило, несколькими метрами. За пределами этого диапазона могут потребоваться дополнительные меры, такие как расширители шины или повторители.
• Сложная адресация: С использованием 7-битной схемы адресации количество уникальных адресов, доступных для устройств, ограничено. Это может быть ограничением при подключении большого количества устройств к одной шине.

Применения I2C

I2C широко используется в различных электронных системах для связи между интегральными схемами. Некоторые из распространенных применений I2C включают:

Интерфейс датчиков

I2C часто используется для связи с различными датчиками, такими как датчики температуры, влажности и акселерометры. Эти датчики могут предоставлять данные о своих параметрах, позволяя подключённым устройствам принимать обоснованные решения на основе полученной информации.

Модули дисплея

Многие модули дисплея, такие как ЖК и OLED-дисплеи, могут быть подключены с использованием I2C. Это упрощает интеграцию дисплеев в различные системы, так как протокол I2C позволяет легко организовать связь между модулем дисплея и управляющим устройством.

Программирование EEPROM

I2C часто используется для программирования и чтения чипов Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM). EEPROMы — это энергонезависимые устройства памяти, которые могут сохранять данные даже при отключении питания. Протокол I2C облегчает эффективную передачу данных между управляющим устройством и EEPROM.

Реальные часы

I2C используется в устройствах реального времени для обеспечения точных функций хронометража в различных устройствах. Эти часы могут поддерживать точную информацию о времени и дате и часто используются в приложениях, таких как ведение данных, планирование и операции, зависящие от времени.

I2C (Inter-Integrated Circuit) — это широко используемый последовательный коммуникационный протокол, который позволяет устройствам общаться друг с другом с использованием двухпроводного интерфейса. Он имеет простую архитектуру и поддерживает конфигурации с несколькими ведущими, что обеспечивает гибкость при подключении множества устройств к одной шине. I2C часто используется в таких приложениях, как интерфейсы датчиков, модули дисплея, программирование EEPROM и реальные часы. Несмотря на свои ограничения, I2C остаётся популярным выбором для низкоскоростных коммуникаций в различных электронных системах.