10. I2C Schnittstelle

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Nach dieser Lektion sollten Sie:

wissen wie die Kommunikation zwischen I2C Master und Slave funktioniert

TWI Module as I2C Master (AVR315):
- Application Note: doc2564.pdf
- Library und Beispielcode: avr315.zip
TWI Module as I2C Slave (AVR311):
- Application Note: doc2565.pdf
- Library und Beispielcode: avr311.zip
alternative und schlanke Implementierung des Slaves von The Gouger (GitHub)
(Kopie vom 16.01.22: avr-i2c-slave-master.zip)

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

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.png

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.png

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.
     | (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.png

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_.png

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.
     | (0<<TWSTA)|(1<<TWSTO);      // Initiate a STOP condition.

Files:

i2c_master.c
i2c_master.hex
i2c_slave.c
i2c_slave.hex
i2c_testcircuit.sim1 (Nur Für Simulide 1.0.0-R810 und höher!)

/* ----------------------------------------------------------------------------
 
 Experiment 10:   I2C Kommunikation
 =============    ===============================
 
 Dateiname	: I2C_SimpleMaster.c
  
 Autoren    : Tim Fischer       (Hochschule Heilbronn, Fakultaet T1)
               
 Datum      : 16.01.2022
  
 Version    : 1.0
  
 Hardware:  Simulide 1.0.0 >R810
 
 Software:  Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
            C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
 
 Funktion : TBD
 
 Displayanzeige:    TBD
 
 Tastenfunktion:    keine
 
 Jumperstellung:    keine
 
 Fuses im uC:       CKDIV8: Aus (keine generelle Vorteilung des Takts)
 
  
// ----------------------------------------------------------------------------*/
 
// 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(PORT, BIT)  ((PORT) |=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand setzen
#define CLR_BIT(PORT, BIT)  ((PORT) &= ~(1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand loeschen
#define TGL_BIT(PORT, BIT)  ((PORT) ^=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand wechseln (toggle)

//Funktionsprototypen
void I2C_Init();
void I2C_transmitStart();
void I2C_transmitDataOrAddress(char Data);
void I2C_transmitStop();

uint8_t TWI_Address =  0b0001010;
uint8_t TWI_Data	= 0b00110111;


int main(void)
{
	while (1)
	{
		I2C_Init();				// Initialisierung von TWI anstoßen
		I2C_transmitStart();	// Startbit schreiben
		I2C_transmitDataOrAddress((TWI_Address<<1) + 0);// Adresse senden
		I2C_transmitDataOrAddress(TWI_Data);// Daten senden
		I2C_transmitStop();		// Stoppbit schreiben
		_delay_us(1);		
	}
}

/////////////////////////////////////////
// I2C Initialisierung
/////////////////////////////////////////
void I2C_Init()
{
	TWSR = CLR_BIT(TWSR, TWPS0);// Es wird kein Prescaler verwendet
	TWSR = CLR_BIT(TWSR, TWPS1);//
	TWCR = 0;					//
	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 setzen)
	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;
	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)
}

/* ----------------------------------------------------------------------------
 
 Experiment 10:   I2C Kommunikation
 =============    ===============================
 
 Dateiname	: I2C_SimpleMaster.c
 
 Autoren    : Tim Fischer       (Hochschule Heilbronn, Fakultaet T1)
 
 Datum      : 23.06.2021
 
 Version    : 1.0
  
 Hardware:  Simulide 0.5.16-RC5
 
 Software:  Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
            C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0
 
 Funktion:	tbd

 
  
// ----------------------------------------------------------------------------*/
 
// Deklarationen ==============================================================
 
// Festlegung der Quarzfrequenz
#define F_CPU 16000000UL
#define F_SCL 10000L //100 kHz

// Include von Header-Dateien
#include <avr/interrupt.h>

// Konstanten
#define SET_BIT(PORT, BIT)  ((PORT) |=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand setzen
#define CLR_BIT(PORT, BIT)  ((PORT) &= ~(1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand loeschen
#define TGL_BIT(PORT, BIT)  ((PORT) ^=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Zustand wechseln (toggle)

//Funktionsprototypen
void I2C_Init();
void I2C_setAddress(char Address);
char I2C_readData();

uint8_t TWI_Address			=  0b0001010;
uint8_t TWI_AddressMask		= 0b11111110;

int main(void)
{
	DDRD= 0xFF;								// Auf DDRC die Daten ausgeben
	I2C_setAddress(TWI_Address);				// eigene Adresse setzen
	
    while (1) 
    {
		PORTD = 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)|(1<<TWIE);				// 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
}

Simulide: …\share\simulide\examples\Arduino\sofware_i2c_lcd\i2c_lcd-arduino (hierbei wird Software I2C eingesetzt)
Software I2C:
- Library von Peter Fleury: library, Dokumentation
- Software I2C Slave

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.

10. I2C Schnittstelle

Ziele

Video

Bibliotheken

Statemachine für Datenpaket

Statemachine der I2C Kommunikation

I2C in Kürze und Zeitverlaufsdiagramm

Startbedingung

Übertragung

Stoppbedingung

Software

TWI Master

TWI Slave

Beispiele

weiterführende Unterlagen