В современной бытовой технике, промышленной электронике и различном телекоммуникационном оборудовании достаточно часто можно встретить аналогичные решения, хотя изделия могут быть практически не связаны между собой. К примеру, практически каждая система включает в себя следующее:
- определенный «умный» узел управления, который в преимущественном большинстве случаев представляет собой однокристалльную микроЭВМ;
- узлы общего назначения наподобие буферов ЖК, ОЗУ, портов ввода/вывода, ЭСПЗУ или же специализированные преобразователи данных;
- специфические узлы, включающие в себя схемы цифровой настройки и обрабатывания сигналов для видео- и радиосистем.
Как оптимизировать их применение?
Чтобы обеспечить максимально эффективное использование таких общих решений для выгоды конструкторов и самих производителей, а также для повышения общей степени производительности различной аппаратуры и упрощения применяемых схемотехнических узлов, компания Philips задалась целью разработать предельно простую двухпроводную двунаправленную шину, обеспечивающую наиболее продуктивное межмикросхемное управление. Данная шина обеспечивает передачу данных через интерфейс I2C.
На сегодняшний день ассортимент указанного производителя включает в себя более 150 КМОП, а также биполярных устройств, совместимых с I2C и предназначенных для ведения работы в любых перечисленных категориях. При этом стоит отметить, что интерфейс I2C является изначально встроенным во все совместимые устройства, за счет чего они и могут безо всяких сложностей поддерживать связь между собой при использовании специальной шины. За счет применения такого конструкторского решения получилось решить достаточно большое количество проблем сопряжения различного оборудования, что является довольно характерным для сферы разработки цифровых систем.
Основные преимущества
Даже если посмотреть кратко описание интерфейсов UART, SPI, I2C, можно выделить следующие преимущества последнего:
- Для работы нужно всего две линии – синхронизации и данных. Любое устройство, которое подключается к такой шине, в дальнейшем может программно адресоваться по абсолютно уникальному адресу. В любой момент существует простое отношение, позволяющее ведущим работать в качестве ведущего-передатчика или ведущего-приемника.
- Данная шина предусматривает возможность иметь сразу несколько ведущих, предоставляя все необходимые средства для определения коллизий, а также арбитраж, позволяющий предотвратить повреждение данных в том случае, если два или большее количество ведущих начинает одновременно передавать информацию. В стандартном режиме предусматривается только передача последовательных восьмибитных данных при скорости не более 100 кбит/с, а в быстром режиме этот порог может быть увеличен в четыре раза.
- В микросхемах используется специальный встроенный фильтр, который достаточно эффективно подавляет всплески и обеспечивает максимальную целостность данных.
- Предельно возможное количество микросхем, которые могут быть подсоединены к одной шине, ограничивается только ее предельно возможной емкостью, составляющей 400 пФ.
Преимущества для конструкторов
Интерфейс I2C, а также все совместимые микросхемы позволяют существенно ускорить процедуру разработки, от функциональной схемы до ее конечного прототипа. При этом стоит отметить, что за счет возможности подключения таких микросхем непосредственно к шине без использования всевозможных дополнительных цепей обеспечивается простор для дальнейшей модернизации и модификации системы прототипа посредством отключения и подключения от шины различных устройств.
Есть масса преимуществ, которые выделяют интерфейс I2C. Описание, в частности, позволяет увидеть следующие достоинства для конструкторов:
- Блоки на функциональной схеме всецело соответствуют микросхемам, и при этом обеспечивается достаточно быстрый переход от функциональных к принципиальным.
- Нет никакой необходимости заниматься разработкой шинных интерфейсов, потому что шина уже изначально интегрирована в специальные микросхемы.
- Интегрированные протоколы передачи информации и адресация устройств предоставляют системе возможность быть полностью программно определяемой.
- Одинаковые типы микросхем при необходимости можно использовать в абсолютно разных приложениях.
- Общее время разработки существенно снижается за счет того, что конструкторы довольно быстро могут ознакомиться с наиболее часто используемыми функциональными блоками, а также всевозможными микросхемами.
- При желании можно добавлять или убирать из системы микросхемы, и при этом не оказывать особого влияния на прочее оборудование, подключенное к одной шине.
- Общее время разработки программного обеспечения можно значительно снизить за счет того, что здесь допускается применение библиотеки повторно применяемых программных модулей.
Помимо всего прочего, стоит отметить предельно простую процедуру диагностики возникших сбоев и дальнейшую отладку, которой отличается интерфейс I2C. Описание говорит о том, что при необходимости можно безо всякого труда моментально отслеживать даже незначительные отклонения в работе такого оборудования и, соответственно, принимать соответствующие меры. Также стоит отметить, что конструкторы получают специальные решения, которые, в частности, являются довольно привлекательными для различного портативного оборудования и систем, предусматривающих батарейное питание, используя I2C интерфейс. Описание на русском также указывает на то, что его применение позволяет обеспечить следующие немаловажные достоинства:
- Достаточно высокую степень устойчивости к любым возникающим помехам.
- Предельно низкое потребление энергии.
- Широчайший диапазон питающего напряжения.
- Широкий температурный диапазон.
Преимущества для технологов
Стоит отметить, что не только конструкторы, но и технологи достаточно часто в последнее время начали использовать специализированный I2C интерфейс. Описание на русском указывает довольно широкий диапазон достоинств, которые обеспечиваются этой категории специалистов:
- Стандартная двухпроводная последовательная шина с таким интерфейсом позволяет минимизировать соединения между микросхемами, то есть в них присутствует меньше контактов и требуется меньшее количество дорожек, благодаря чему печатные платы становятся не такими дорогими и имеют гораздо меньшие габариты.
- Полностью интегрированный I2C интерфейс LCD1602 или какой-то другой вариант полностью устраняет необходимость в использовании дешифраторов адреса, а также другой внешней мелкой логике.
- Предусматривается возможность использования одновременно нескольких ведущих на такой шине, благодаря чему существенно ускоряется тестирование и последующая настройка оборудования, так как шина может быть подключена к компьютеру сборочной линии.
- Доступность совместимых с этим интерфейсом микросхем в VSO, SO и специализированном DIL-корпусе позволяет существенно снизить требования к размеру устройства.
Это только краткий список преимуществ, которыми отличается I2C интерфейс LCD1602 и другие. Кроме того, совместимые микросхемы позволяют значительно увеличить гибкость используемой системы, обеспечивая предельно простое конструирование различных вариантов оборудования, а также относительно легкую модернизацию для дальнейшей поддержки разработки на современном уровне. Таким образом, можно разработать целое семейство различного оборудования, используя в качестве основы определенную базовую модель.
Дальнейшая модернизация оборудования и расширение его функций могут осуществляться посредством стандартного подключения к шине соответствующей микросхемы, использующей 2C интерфейс Arduino или какой-нибудь другой из доступного перечня. Если требуется обеспечение большей ПЗУ, то в таком случае достаточно будет только выбрать другой микроконтроллер, имеющий увеличенный объем ПЗУ. Так как обновленные микросхемы при необходимости способны полностью заместить старые, можно запросто добавлять новые свойства в оборудование или повышать его общую производительность посредством обычного отсоединения уже устаревших микросхем и дальнейшей замены их на более новое оборудование.
ACCESS.bus
За счет того, что шина имеет двухпроводную природу, а также возможность программной адресации, для ACCESS.bus одной из наиболее идеальных платформ является именно I2C интерфейс. Спецификация (описание на русском представлено в статье) данного устройства делает его гораздо более дешевой альтернативой активно использующемуся ранее интерфейсу RS-232C для подсоединения различной периферии к компьютерам, используя стандартный четырехконтактный коннектор.
Введение в спецификацию
Для современных приложений 8-битного управления, в которых используются микроконтроллеры, предусматривается возможность установки некоторых конструкторских критериев:
- полная система в преимущественном большинстве случае включает в себя один микроконтроллер и прочие периферийные устройства, в том числе память и всевозможные порты ввода/вывода;
- общая стоимость объединения различных устройств внутри одной системы должна быть предельно минимизирована;
- система, на которую возлагаются функции управления, не предусматривает необходимость в обеспечении высокоскоростной передачи информации;
- общая эффективность непосредственно зависит от выбранного оборудования, а также от природы соединяющей шины.
Для разработки системы, полностью соответствующей перечисленным критериям, нужно использовать шину, в которой будет использоваться последовательный интерфейс I2C. Несмотря на то что в последовательной шине нет пропускной способности параллельных, ей требуется меньшее количество соединений, а также меньше контактов микросхем. При этом не стоит забывать о том, что шина включает в себя не только соединяющие провода, но еще и различные процедуры и форматы, необходимые для обеспечения связи внутри системы.
Устройства, для связи которых используется программная эмуляция интерфейса I2C или соответствующая шина, должны иметь определенный протокол, который позволяет упредить различные возможности столкновений, потери или же блокирования информации. У быстрых устройств должна быть возможность связаться с медленными, и при этом система не должна зависеть от подключенного к ней оборудования, так как в противном случае все улучшения и модификации не смогут быть использованы. Также нужно разрабатывать процедуру, с помощью которой реально установить, какое конкретно устройство на данный момент обеспечивает управление шиной и в какой момент времени. Помимо этого, если различные устройства, имеющие разные тактовые частоты, подключены к одной шине, нужно определиться с источником ее синхронизации. Всем этим критериям соответствует I2C интерфейс для AVR и любые другие из этого перечня.
Основная концепция
Шина I2C может поддерживать любые использующиеся технологии изготовления микросхем. Интерфейс I2C LabVIEW и другие аналогичные ему предусматривают использования двух линий для переноса информации – данных и синхронизации. Любое устройство, подключенное таким образом, распознается за счет уникального адреса вне зависимости от того, идет ли речь о ЖКИ-буфере, микроконтроллере, памяти или интерфейсе клавиатуры, и при этом может работать в качестве приемника или передатчика в зависимости от того, для чего конкретно предназначается данное оборудование.
В преимущественном большинстве случаев ЖКИ-буфер представляет собой стандартный приемник, а память может не только принимать, но и передавать различные данные. Помимо всего прочего, по процессу перемещения информации приборы можно классифицировать как ведомые и ведущие.
В данном случае ведущим называется устройство, которым инициируется передача данных, а также вырабатываются сигналы синхронизации. При этом любые адресуемые приборы будут считаться по отношению к нему ведомыми.
Интерфейс связи I2C предусматривает наличие сразу нескольких ведущих, то есть более чем одно устройство, способное осуществлять управление шиной, способно к ней подключаться. Возможность использования более одного микроконтроллера в одной шине говорит о том, что более чем от одного ведущего может осуществляться пересылка в определенный момент времени. Чтобы устранить потенциальный хаос, который рискует появиться при возникновении такой ситуации, разработана специализированная процедура арбитража, которую использует I2C интерфейс. Расширители и другие приборы предусматривают подключение устройств к шине по так называемому правилу монтажного И.
Генерация синхросигнала представляет собой обязанность ведущего, и каждый из них вырабатывает собственный сигнал в процессе пересылки данных, и в дальнейшем он может изменяться только в том случае, если его «вытягивает» медленное ведомое устройство или другое ведущее при возникновении столкновения.
Общие параметры
Как SCL, так и SDA представляют собой двунаправленные линии, которые подключаются к положительному источнику питания при помощи подтягивающего резистора. Когда шина оказывается абсолютно свободной, каждая линия пребывает в высоком положении. Выходные каскады устройств, которые подключены к шине, должны быть с открытым стоком или открытым коллектором, чтобы могла обеспечиваться функция монтажного И. Информация через I2C интерфейс может передаваться при скорости не более 400 кбит/с в быстром режиме, в то время как в стандартном скорость не превышает 100 кбит/с. Общее же количество устройств, которые могут быть одновременно подключены к шине, зависит только от одного параметра. Это емкость линии, составляющая не более 400 пф.
Подтверждение
Подтверждение представляет собой обязательную процедуру в процессе передачи данных. Ведущий генерирует соответствующий импульс синхронизации, в то время как передатчик отпускает линию SDA в течение данного синхроимпульса как подтверждение. После этого приемник должен обеспечить стабильное удержание линии SDA в течение высокого состояния синхроимпульса в стабильно низком состоянии. В данном случае нужно обязательно принимать во внимание время установки и удержания.
В преимущественном большинстве случаев адресованный приемник должен в обязательном порядке сгенерировать подтверждение после каждого полученного байта, и единственным исключением здесь являются только те ситуации, когда начало посылки включает в себя адрес CBUS.
Если у ведомого-приемника нет возможности отправить подтверждение собственного адреса, нужно оставлять линию данных в высоком состоянии, и после этого у ведущего будет возможность выдачи сигнала "Стоп", который прервет отправку всей информации. Если же адрес был подтвержден, но при этом ведомый не может в течение длительного времени больше принимать какие-либо данные, ведущим также должна быть прервана посылка. Чтобы это сделать, ведомый не подтверждает следующий полученный байт и просто оставляет линию данных в высоком состоянии, вследствие чего ведущим генерируется сигнал "Стоп".
Если же в процедуре пересылки предусматривается наличие ведущего-приемника, то в таком случае он должен сообщать ведомому об окончании проведенной передачи, и делается это посредством неподтверждения последнего полученного байта. При этом ведомый-передатчик сразу освобождает линию данных, чтобы ведущий мог выдать сигнал "Стоп" или снова повторить сигнал "Старт".
Чтобы проверить работоспособность оборудования, можно попробовать ввести стандартные примеры скетчей для интерфейса I2C в Arduino, как на фото выше.
Арбитраж
Ведущим может начинаться пересылка информации только после полного освобождения шины, но при этом два и более ведущих могут провести генерирование сигнала о старте при времени минимального удерживания. Это в конечном итоге приводит к определенному сигналу "Старт" на шине.
Работа арбитража осуществляется на шине SDA в те моменты, пока SCL-шина пребывает в высоком состоянии. Если один из ведущих начинает передавать на линию данных низкий уровень, но при этом другой – высокий, то последний полностью отключается от нее, потому что состояние SDL является не соответствующим высокому состоянию его внутренней линии.
Продолжение арбитража может осуществляться на протяжении нескольких бит. За счет того, что сначала осуществляется передача адреса, а потом данных, арбитраж может иметь длительность до окончания адреса, а если ведущими будет адресоваться одно и то же устройство, то в таком случае в арбитраже будут принимать участие и различные данные. Вследствие такой схемы арбитража при возникновении каких-либо столкновений данные не потеряются.
Если ведущий проигрывает арбитраж, то в таком случае он может выдавать импульсы синхронизации в SCL до конца байта, в течение которого и был потерян доступ.
