I2C – Inter Integrated Circuit

I2C – Inter Integrated Circuit

I2C, czyli Inter Integrated Circuit, to protokół komunikacyjny służący do wymiany danych między układami scalonymi na jednej płytce drukowanej. Został opracowany przez firmę Philips w latach 80., a jego główną zaletą jest prostota i niewielka liczba przewodów potrzebnych do przesyłu danych. Dziś wyjaśnię, jak działa I2C, jakie ma cechy charakterystyczne i w jakich zastosowaniach jest wykorzystywany – a także dlaczego w świecie elektroniki jest tak bardzo popularny, zwłaszcza w systemach wbudowanych i mikrokontrolerach.

Podstawy protokołu I2C

Protokół I2C opiera się na magistrali dwukierunkowej, która składa się z dwóch głównych linii sygnałowych: SDA (Serial Data Line) i SCL (Serial Clock Line). Obie linie są typu open-drain, co oznacza, że urządzenia na magistrali mogą je jedynie „ściągać do zera”, a linie są podciągane do wysokiego poziomu rezystorami pull-up. Dzięki temu wiele urządzeń może współdzielić tę samą magistralę bez konfliktów. W komunikacji I2C występuje jeden lub więcej masterów, które inicjują transmisję, oraz jeden lub więcej slave’ów, które odpowiadają na zapytania.

Jak działa transmisja danych w I2C?

W trakcie transmisji master generuje sygnał zegarowy na linii SCL, synchronizując przesył danych na linii SDA. Dane przesyłane są bit po bicie, a po każdej bajcie następuje bit potwierdzenia ACK (Acknowledge), który sygnalizuje poprawne odebranie informacji przez urządzenie docelowe. Komunikacja rozpoczyna się sygnałem start, a kończy sygnałem stop. Dzięki temu urządzenia wiedzą, kiedy zaczyna się i kończy przesył danych, co pozwala uniknąć błędów i kolizji.

Zalety i ograniczenia I2C

• Minimalna liczba przewodów: tylko dwie linie sygnałowe do komunikacji wielu urządzeń.
• Adresowanie: każde urządzenie na magistrali posiada unikalny 7- lub 10-bitowy adres, co pozwala podłączyć nawet kilkadziesiąt komponentów.
• Synchronizacja: zegar generowany przez master gwarantuje spójność przesyłu danych.
• Prędkość transmisji: standardowo do 100 kbps, w trybie Fast-mode do 400 kbps, a w Fast-mode Plus nawet do 1 Mbps.
• Ograniczenia: I2C jest protokołem krótkiego zasięgu, najczęściej stosowanym na jednej płytce PCB lub w niewielkich systemach.

Zastosowania I2C w elektronice

Interfejs I2C jest powszechnie stosowany w mikrokontrolerach do komunikacji z różnego rodzaju czujnikami (np. temperatury, wilgotności, ciśnienia), pamięciami EEPROM, zegarami RTC czy układami ADC/DAC. Dzięki prostocie magistrali, inżynierowie mogą łatwo dodawać nowe komponenty bez potrzeby zwiększania liczby pinów na mikrokontrolerze. W systemach embedded, I2C jest niemal standardem do łączenia peryferiów.

Budowa i działanie magistrali

Ważnym elementem działania I2C jest możliwość podłączenia wielu urządzeń do tych samych linii SDA i SCL. Każde urządzenie ma swój adres, co umożliwia masterowi wybór, z którym slave chce się komunikować. Aby uniknąć konfliktów na magistrali, I2C stosuje procedury detekcji kolizji i arbitrażu – gdy dwa mastery próbują jednocześnie przejąć kontrolę, ten z wyższym priorytetem wygrywa.

Synchronizacja i timing w I2C

Często w dokumentacji technicznej natkniesz się na pojęcia takie jak setup time, hold time czy bus free time. Te parametry określają minimalne wymagania czasowe pomiędzy zmianami sygnałów na liniach SDA i SCL, które muszą być zachowane, aby urządzenia mogły poprawnie odczytać dane. Dzięki tym standardom, urządzenia różnych producentów mogą współpracować bez problemów, co jest ogromną zaletą I2C.

Alternatywy i rozszerzenia I2C

Chociaż I2C jest bardzo popularny, to w niektórych zastosowaniach zastępują go protokoły SPI lub UART, które oferują wyższą szybkość lub prostszą implementację punkt-punkt. Jednak tam, gdzie liczy się liczba połączeń i łatwość rozbudowy – I2C jest niezastąpiony. Istnieją też rozszerzenia, takie jak SMBus (System Management Bus) używany głównie w komputerach do komunikacji z czujnikami i bateriami, które bazują na I2C, ale dodają własne protokoły i zabezpieczenia.

Choć dziś skupiliśmy się na I2C, warto zauważyć, że protokół ten często współpracuje z magistralami o wyższych częstotliwościach, takimi jak SPI, szczególnie w bardziej złożonych systemach embedded. Jutro możemy przyjrzeć się właśnie SPI i porównać jego cechy z I2C, abyś mógł lepiej dobrać odpowiedni interfejs do swoich projektów.