11 I2C Schnittstelle

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen wie die Kommunikation zwischen I2C Master und Slave funktioniert

Im Video wird eine Library für die Kommunikation verwendet. Wir werden in untenstehenden Beispiel die Register selbst schreiben.

Video

Statemachine für Datenpaket

Statemachine der I2C Kommunikation

I2C in Kürze und Zeitverlaufsdiagramm

Abb. 2: Zusammenspiel der TWI-Register microcontrollertechnik:twiregister.svg

Übertragung

Für die I2C Übertragung „trommelt“ der Master-IC auf der Taktleitung (SCL). Bei jedem „Trommelschlag“ (SCL=High), darf der Slave die Datenleitung (SDA) lesen.
D.h. während der Datenübertragung bleibt die Datenleitung bei SCL=High konstant.
Eine Flanke (=Signalwechsel) auf der Datenleitung während SCL=High definiert Beginn und Ende der Kommunikation.
Eine fallende Flanke auf SDA bei SCL=High stellt das Startbit dar, eine steigende Flanke das Stoppbit.
Läuft keine Kommunikation sind Daten- und Tankleitung auf High.

Abb. 3: Zeitverlaufsdiagramm der I2C Kommunikation microcontrollertechnik:zeitverlaufsdiagrammderi2ckommunikation.svg

Startbedingung

Um die Übertragung zu beginnen muss die Startbedingung eingeleitet werden. Während SCL HIGH ist (a), geht SDA von HIGH auf LOW. Anschließend startet SCL mit LOW (b).

Abb. 4: Startbedingung microcontrollertechnik:startbedingung.svg







Für eine Startbedingung werden die Bits innerhalb des TWCR wie folgt gesetzt: 

TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN);       // Setting TWINT clears interupt flag
                                   // to set the following state:
     | (1<<TWIE )                  // Enable TWI Interrupt. --> nur wichtig, falls der Interrupt geprüft wird!
     | (1<<TWSTA)|(0<<TWSTO);      // Initiate a START condition.

Übertragung

Die entscheidende Voraussetzung für eine erfolgreiche Bitübertragung ist, dass sich der Zustand von SDA nur ändern darf solange SCL auf LOW ist. Allerdings ist der Zustand von SDA erst gültig, wenn SCL auf HIGH ist.

Abb. 5: Übertragung microcontrollertechnik:uebertragung.svg







Für die Übertragung eines Bytes muss TWDR und TWCR wie folgt gesetzt werden.
Zunächst wird die Übertragung der Adresse (SLA_W) betrachtet: 

TWDR = SLA_W;                      // Load SLA_W into TWDR
TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN);       // Setting TWINT clears interupt flag
                                   // to start transmission of address




Die Daten (DATA) werden in gleicher Weise übertragen: 

TWDR = DATA;                       // Load DATA into TWDR
TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN);       // Setting TWINT clears interupt flag
                                   // to start transmission of address

Stoppbedingung

Die Stoppbedingung beendet die Übertragung. SCL geht auf HIGH (c), anschließend wechselt die SDA-Leitung von LOW nach HIGH (d).

Abb. 6: Stoppbedingung microcontrollertechnik:stoppbedingung.svg







Für eine Stoppbedingung werden die Bits innerhalb des TWCR wie folgt gesetzt: 

TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN);       // Setting TWINT clears interupt flag
                                   // to set the following state:
     | (1<<TWIE )                  // Enable TWI Interrupt. --> nur wichtig, falls der Interrupt geprüft wird!
     | (0<<TWSTA)|(1<<TWSTO);      // Initiate a STOP condition.

Software

einfache Anwendung - nur Polling

Im ersten Schritt ist im folgenden eine einfache Anwendung dargestellt.
Bei dieser werden Schalterstellungen vom Master an den Slave übertragen.

I. Vorarbeiten
Laden Sie die Datei simple_i2c.zip herunter und entpacken Sie diese.
In ihr finden Sie die Simulation als simple_I2C.sim1 und das Microchip Solution File simple_I2C.atsln.
II. Analyse des fertigen Programms
  1. Initialisieren des Programms
    1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels simulide_open.jpg die Datei simple_I2C.sim1
    2. In der Simulation finden Sie unten links 8 Dip-Schalter, welche durch Klick auf eine der acht kleinen Quadrate aktiviert (Wechsel auf grün)bzw deaktiviert werden kann.
    3. Die hex Files sollten bereits in der simulation verlinkt sein, sodass diese nach dem Start auch lauffähig sei soll.
      Falls nicht finden Sie die hex Files unter ..\simple_I2C_Master\Debug bzw ..\simple_I2C_Slave\Debug.
    4. Wenn Sie die Simulation starten, sehen Sie oben rechts im Logic Analyzer den Verlauf der Signale auf SDA (Daten) und SCL (Clock, also Takt).
    5. Sobald die Stopp-Bedingung erfüllt ist (positive Flanke auf SDA, wenn SCL bereits High ist), wird die Simulation automatisch gestoppt.
      Dies geschieht, da im Logic Analyzer als Trigger Ch1R & Ch2Heingetragen wurde.
  2. Sie können hier einige Dinge analysieren:
    1. Was passiert in den I2C Registern (TWAR, TWBR, TWCR, TWDR, TWSR) auf beiden Seiten?
    2. Was wird übertragen?
  3. Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt werden
III. Code in Microchip Studio
I2C Master

/* ----------------------------------------------------------------------------
  
 Experiment 10:   I2C Kommunikation
 =============    ===============================
  
 Dateiname		: I2C_SimpleMaster.c
   
 Autoren		: Tim Fischer       (Hochschule Heilbronn, Fakultaet TE)
                
 Datum			: 18.11.2023
   
 Version		: 1.1
   
 Hardware		: Simulide 1.0.0 >R810
  
 Software		: Entwicklungsumgebung: Microchip Studio 7.0
				  C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
  
 Funktion		: einfacher I2C Master, der Schalterwerte überträgt
  
 Displayanzeige	: keine
  
 Tastenfunktion	: Die Tastenstellung der Dip-Schalter an Port B werden als Wert über I2C weitergegeben.
				  Dabei zählt ein gedrückter Schalter (= hellgrün) als logisches High Signal
  
 Jumperstellung	: keine
  
 Fuses im uC	: keine
   
// ----------------------------------------------------------------------------*/
  
// Deklarationen ==============================================================
  
// Festlegung der Quarzfrequenz
#define F_CPU 8000000UL									// CPU Frequenz von 8MHz
#define F_SCL   100000L									// Baudrate von 100 kHz
 
// Include von Header-Dateien
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>
 
// Konstanten
#define SET_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) |=  (1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte setzen
#define CLR_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) &= ~(1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte loeschen
#define TGL_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) ^=  (1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte wechseln (toggle)
 
#define SET_ALL_PULLUPS		(0xFF)						// Konstante für die Aktivierung der Pullup
#define INVERING_MASK		(0xFF)						// Konstante für die invertierung der Schalterstellungen
#define TWI_ADRESS			(0b0001010)					// Konstante für die I2C Adresse 

//Funktionsprototypen
void I2C_Init();
void I2C_transmitStart();
void I2C_transmitDataOrAddress(char Data);
void I2C_transmitStop();
 
uint8_t TWI_Address =  TWI_ADRESS;						// Variable der I2C Adresse 						
uint8_t TWI_Data    = 0b00000000;						// Variable für die I2C Daten
 
 
int main(void)
{
	PORTB = SET_ALL_PULLUPS;							// Pull-up Widerstände an Port B aktivieren
    while (1)										
    {
        I2C_Init();										// Initialisierung von TWI anstoßen
        I2C_transmitStart();							// Startbit schreiben
        I2C_transmitDataOrAddress((TWI_Address<<1) + 0);// Adresse senden: LSB = 0, zeigt Slave an, dass dieser nur empfangen soll
		TWI_Data = PINB^INVERING_MASK;					// Lese Tasterstellungen ein. Invertiere jedes Bit
        I2C_transmitDataOrAddress(TWI_Data);			// Daten senden
        I2C_transmitStop();								// Stoppbit schreiben
		_delay_us(1);									// erst durch den Delay ist ein Triggern im Simulide möglich 
    }
}
 
/////////////////////////////////////////
// I2C Initialisierung
/////////////////////////////////////////
void I2C_Init()
{
    CLR_BIT(TWSR, TWPS0);								// Es wird kein Prescaler verwendet: 
    CLR_BIT(TWSR, TWPS1);								//		Deshalb TWPS0 = 0 und TWPS1 = 0
    TWCR = 0;                   						// Control Register zurücksetzen
    TWBR = ((F_CPU/F_SCL)-16)/2;						// die Bitrate wird mittels CPU Frequenz und Serial Clock Frequenz ermittelt
}
 
/////////////////////////////////////////
// I2C Startbit senden
/////////////////////////////////////////
void I2C_transmitStart()
{
    TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN)|(1<<TWSTA);				// TWSTA = Startbit aktivieren, TWEN = TWI starten (ENable), TWINT = Interrupt bit löschen (durch beschreiben)
    while (!(TWCR & (1<<TWINT)));						// warten bis Übertragung erfolgreich, Trigger ist hier das Setzen von TWINT
}
 
 
/////////////////////////////////////////
// I2C Adressbyte/Daten senden
/////////////////////////////////////////
void I2C_transmitDataOrAddress(char Data)                       
{
    TWDR = Data;										// Data Variabel in Daten Register schreiben
    TWCR = (1<<TWINT)|(1<<TWEN);						// TWEN = TWI starten (ENable), TWINT = Interrupt bit löschen (durch setzen)
    while (!(TWCR & (1<<TWINT)));						// warten bis Übertragung erfolgreich, Trigger ist hier das Setzen von TWINT
}
 
/////////////////////////////////////////
// I2C Stoppbit senden
/////////////////////////////////////////
void I2C_transmitStop()
{
    TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN)|(1<<TWSTO);				// TWSTO = Stopptbit aktivieren, TWEN = TWI starten (ENable), TWINT = Interrupt bit löschen (durch setzen)
}


























Deklarationen ===================================

  1. Hier wird die Frequenz des Quarz direkt eingestellt.
  2. Weiterhin wird eine Konstante für die I2C Frequenz definiert

  3. Die Header-Dateien und die Bit-ändernden Makros entsprechen denen der letzten Programme.





  4. Die weiteren Konstanten sind:
    1. Konstante für die Pullups
    2. Konstante für die Invertierung der Schalterstellungen
    3. Konstante für die I2C Adresse




  5. Zwei globale Variablen beinhalten die I2C Adresse und die Daten

Hauptprogramm =========================

  1. es werden zunächst die Pull-up Widerstände aller Pins an Port B aktiviert, um die Schalter einlesen zu können
  2. in der Haupschleife läuft:
    1. Zu Beginn eine Iitialisierung der I2C Schnittstelle. Die wiederholte Initialisierung vermeidet Probleme der I2C Zustandsmaschine.
    2. Als nächstes wird die startende Flanke gesendet.
    3. Das erste Byte auf dem I2C Bus ist die Adressebyte. Dieses setzt sich aus der Adresse und einem Bit zusammen, welches angibt, ob der Slave nur zuhören (0) oder antworten (1) soll.
    4. Nun wird der Zustand das Port B als I2C Daten eingelesen.
    5. Diese werden per I2C übertragen.
    6. Und zum Schluss wird das Stopp Bit gesendet

I2C Initialisierung =========================

  1. Durch das Zurücksetzen der Bits TWPS0 und TWPS1 wird kein Prescaler (bzw. einer von 1) gewählt
  2. Auch das Kontrollregister wird zurückgesetzt
  3. im Bitraten Register wird die I2C Frequenz eingestellt



I2C Startbit senden ==============

  1. Es soll die I2C Schnittstelle aktiviert (TWEN setzen) und das Startbit gesendet (TWSTA setzen) werden. Das Schreiben einer 1 in TWINT löscht dieses Interruptflag
  2. Nach dem Ändern des Konrollregisters muss die Abarbeitung abgewartet werden. Dies ist daran zu erkennen, das TWINT gleich 1 wird


I2C Adressbyte/Daten senden =========================

  1. Bevor Daten übertragen werden sollen, müssen diese erst in das I2C Datenregister geschrieben werden.
  2. Wieder die I2C Schnittstelle aktivieren (TWEN setzen) und das Inrerruptflag löschen (TWINT setzen)
  3. auch hier muss wieder die Abarbeitung abgewartet werden


I2C Stoppbit senden =========================

  1. Das Stoppbit wird wieder im Kontrollregister aktiviert
  2. Hier ist kein Warten notwendig

I2C Slave 

/* ----------------------------------------------------------------------------
  
 Experiment 10:   I2C Kommunikation
 =============    ===============================
  
 Dateiname		: I2C_SimpleSlave.c
  
 Autoren		: Tim Fischer       (Hochschule Heilbronn, Fakultaet TE)
  
 Datum			: 18.11.2023
  
 Version		: 1.0
   
 Hardware		:  Simulide 0.5.16-RC5
  
 Software		:  Entwicklungsumgebung: Microchip Studio 7.0
				   C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
   
 Funktion		: TBD
 
 Displayanzeige	: keine
 
 Tastenfunktion	: Die Tastenstellung der Dip-Schalter an Port B werden als Wert über I2C weitergegeben.
				  Dabei zählt ein gedrückter Schalter (= hellgrün) als logisches High Signal
 
 Jumperstellung	:  keine
 
 Fuses im uC	: keine
  
   
// ----------------------------------------------------------------------------*/
  
// Deklarationen ==============================================================
  
// Festlegung der Quarzfrequenz
#define F_CPU 8000000UL									// CPU Frequenz von 8MHz
#define F_SCL   100000L									// Baudrate von 100 kHz
 
// Include von Header-Dateien
#include <avr/interrupt.h>
 
// Konstanten
#define SET_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) |=  (1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte setzen
#define CLR_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) &= ~(1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte loeschen
#define TGL_BIT(BYTE, BIT)  ((BYTE) ^=  (1 << (BIT)))	// Bit Zustand in Byte wechseln (toggle)

#define SET_ALL_TO_OUT		(0xFF)						// Konstante für die Aktivierung der Port Ausgänge
#define TWI_ADRESS			(0b0001010)					// Konstante für die I2C Adresse
#define TWI_ADRESS_MASK		(0b0001010)					// Konstante für die I2C Adress-Maske
 
//Funktionsprototypen
void I2C_Init();
void I2C_setAddress(char Address);
char I2C_readData();
 
uint8_t TWI_Address         = TWI_ADRESS;				// Variable der I2C Adresse 
uint8_t TWI_AddressMask     = TWI_ADRESS_MASK;			// Variable Zum maskieren der eingehenden Adresse
 
int main(void)
{
    DDRB= SET_ALL_TO_OUT;								// Auf DDRC die Daten ausgeben
    I2C_setAddress(TWI_Address);						// eigene Adresse setzen
     
    while (1) 
    {
        PORTB = I2C_readData();							// Daten an PortC ausgeben
    } 
}
 
//////////////////////////////////////////////////
// Setzen der I2C Adresse auf die der Slave hört
//////////////////////////////////////////////////
void I2C_setAddress(char Address)                       
{
    TWAR = (Address<<1);								// Adresse in das Pseudoregister schreiben
    TWAMR= TWI_AddressMask;                             // Adressmaske in das Pseudoregister schreiben
    TWCR = (1<<TWEA)|(1<<TWEN);                         // Enable Ack, Enable Interupt und Enable TIW
}
 
//////////////////////////////////////////////////
// Auslesen der übermittelten Daten 
//////////////////////////////////////////////////
char I2C_readData()                     
{
    while (!(TWCR & (1<<TWINT)));						// warte solange bis TWINT gesetzt ist
    return TWDR;                                        // übermittle Daten
}


























Deklarationen ===================================

  1. Hier wird die Frequenz des Quarz direkt eingestellt.
  2. Weiterhin wird eine Konstante für die I2C Frequenz definiert

  3. Die Header-Dateien und die Bit-ändernden Makros entsprechen denen der letzten Programme.



  4. Die weiteren Konstanten sind:
    1. Konstante für die das Setzen der Pins als Ausgang
    2. Konstante für die I2C Adresse
    3. Konstante für die Maskierung der Adresse




  5. Zwei globale Variablen beinhalten die I2C Adresse und die Maske für die eingelesene Adresse

Hauptprogramm =========================

  1. Es werden alle Pins an Port B als Ausgang geschalten
  2. Die I2C Adresse, auf welche der Slave hört, wird gesetzt

  3. In der Haupschleife läuft nur das Setzen des Port B anhand der eingelesenen I2C Daten




Setzen der I2C Adresse auf die der Slave hört =========================

  1. Die Adresse wird in das Adressbyte geschrieben.
  2. Die Adressmaske wird in das Maskenbyte geschrieben. Durch die Maske lässt sich ein Slave auch mit verschiedenen Adressen ansprechen, da die Maske angibt, welche Bits nicht berücksichtigt werden sollen (mit 0)
  3. Im Kontrollregister wird die „Rückbestätigung“ and den Master (Acknowledge) aktiviert (TWEA setzen) und das I2C Modul aktiviert (TWEN setzen). Hier darf TWINT nicht geändert werden!

Auslesen der übermittelten Daten ==============

  1. Hier wird solange gewartet, bis I2C Daten vorliegen
  2. Nach dem Ändern des Konrollregisters muss die Abarbeitung abgewartet werden. Dies ist daran zu erkennen, das TWINT gleich 1 wird

komplexere Anwendung - mit Interrupt

Als Beispiel wurde hier die Temperaturmessung aus Lektion 8 gewählt.
Das Projekt und die Simulation ist hier zu finden ad_wandler_i2c.zip

Bitte nutzen Sie diese als Vorlage, wen Sie eine I2C Schnittstelle implementieren wollen. Da in diesem Programmstand alles über Interrupts läuft, können auch weitere Funktionen abgearbeitet werden.

weiterführende Unterlagen

Bibliotheken

Beispiele

  • In Simulide ist eine Umsetzung von Software I2C zu finden: …\share\simulide\examples\Arduino\sofware_i2c_lcd\i2c_lcd-arduino
  • Eine vollständige Implementierung des Codes für den I2C Master ist in der Library von Peter Fleury zu finden: library, Dokumentation
  • Eine Implementierung eines Software I2C Slave, also eines I2C an einem beliebigen Pin durch Bitmaipulation, habe ich bereitgestellt. Es soll jedoch stets bevorzugt werden die vorhandenen Hardware I2C zu nutzen.

Beschreibung

Die „Microchip University“ hat auch eine schöne Einführung in I2C. Hier wird aber nicht die Implementierung in Microchip Studio auf einem AVR-Chip gezeigt, sondern in MPLAB X auf einem PIC. D.h. der Code ist nicht direkt übertragbar.