Verwendung der I²C-Schnittstelle

Ziel

Sie können Sensoren mit einer I²C-Schnittstelle an einen MC koppeln und Daten übertragen.

Überblick

Die I²C/TWI-Schnittstelle basiert auf einer 2-Draht-Verbindung (Daten + Takt) und ist geeignet für die Anschluss von Peripherie wie z.B. Sensoren, Speicher etc. Angewendet wird das Master-Slave-Prinzip, bei dem der Bus-Master die Kommunikation steuert und die Slave-Geräte antworten. In der Regel werden Open-Collector- bzw. Open-Drain-Ausgänge für die Kommunikation verwendet, wobei i.d.R. externe Pullup-Widerstände benötigt werden.

Basics

• 100 kbit/s Standard
• 112 Knoten (7 Bit Adressen)

Verständnisfragen I²C

1. Welche seriellen Schnittstellen (Busse) kennen Sie?
2. Welche Leitungen benötigen Sie für die I2C/TWI-Schnittstelle?
3. Welche Pins werden beim Arduino Uno für I²C verwendet? Könnte man auch andere Pins verwenden?
4. Hat der Arduino Uno Pullups an den I²C-Pins? Wenn ja mit welchem Wert?
5. Welcher Duplex-Modus wird verwendet?
6. Welche Datenraten können Sie mit I²C erreichen?
7. Welche Bedeutung haben Master und Slave und Adressen?
8. Wie funktioniert ein I²C-Buszugriff für das Lesen bzw. Schreiben?
9. Welche Geräte mit I²C gibt es?
10. Verschaffen Sie Sich einen Überblick über die vorhandenen Methoden der Wire-Bibliothek für I²C!
11. Welcher Logikverknüpfung entspricht die Zusammenschaltung mehrerer Ausgänge?

Verständnisfragen Sensor

1. Verschaffen Sie sich einen Überblick über die elektrischen Werte der Sensoren SHT21 und TSL2561.
2. Bei welcher Betriebsspannung können diese Sensoren verwendet werden?
3. Welche Spannung vertragen die Pins SCL und SDA?
4. Wie kann ein Anschluss an den Arduino Uno erfolgen? Siehe auch Pegelwandler unter Ressourcen!

I²C-Sensor

• Messen Sie auf dem Breakout-Modul des TSL2561 die Pullup-Widerstände durch!
• Verbinden Sie den SHT21 bzw. TSL2561 mit dem 3,3V-Pin des Arduino und die I²C-Pins über einen Pullup mit 10k. Welche Spannung resultiert damit auf dem I²C-Bus?
• Schreiben Sie ein kurzes Demoprogramm, welches die Rohdaten des Temperaturwertes bzw. die Helligkeitswerte ausliest unter Zuhilfenahme der Wire-Bibliothek. Verwenden Sie dazu zunächst den Hold-Modus des Sensors.
• Nutzen Sie ein Messsgerät zur Anzeige der Daten auf dem I²C-Bus.
• Verbinden Sie zusätzlich den Helligkeitssensor mit dem Bus.
• Verwenden Sie die SHT21/TSL2561-Bibliotheken zur Anzeige der Sensorwerte. (Adafruit TSL2561, Adafruit Unified Sensor, SHT2x)
• Nutzen Sie den I²C-Scanner, um die Adressen der angeschlossenen I²C-Geräte und die Taktfrequenz zu erkennen!

I²C-MC-MC

• Verwenden Sie die Wire-Bibliothek für I²C! Verschaffen Sie Sich einen Überblick über die vorhandenen Methoden!
• Verbinden Sie zwei Arduinos mittels I²C schreiben Sie vom Master ein Byte und lesen anschließend ein Byte! (siehe Ressourcen, bzw. Examples -> Wire)
• Nutzen Sie die serielle Konsole zur Anzeige.
• Nutzen Sie ein Messsgerät zur Anzeige der Daten auf dem I²C-Bus.

Ressourcen I2C-Bus

• Übersicht
• I2C-Software
• Wire-Bibliothek
• I2C-Hardware
• Pegelwandler
• Pullup-Berechnung
• I2C-Messgerät-Picotech
• OpenDrain vs CMOS
• IO-Ports

Ressourcen Sensor / Receiver

• Master Writer/Slave Receiver

Ergebnisse

1. I2C, SPI, RS232, RS485
2. Datenleitung: SDA, Taktleitung SCL
3. Pins A4 und A5, per Bit-Banging auch beliebige Digitalpins
4. Ja
5. Halbduplex
6. Datenraten: 100 kHz, 400 kHz, 1 MHz, 3,4 MHz, 5 MHz
7. Adresse: 7 Bit (112 Knoten), Erweiterung (abwärtskompatibel): 10-Bit (insgesamt 1136 Knoten)
8. Lesen: Startsignal, Adresse mit Lesebit, Bestätigung pro Byte vom Slave durch ACK-Bit (Low), letze Byte mit NACK
   • Schreiben: Startsignal, Adresse mit Schreibbit, Bestätigung pro Byte vom Master durch ACK-Bit (Low)
   • Master: erzeugt Clock, steuert Zugriff, Start: SDA H->L, Stopp: SDA L->H
9. Typische Geräte: Sensoren, Displays, RTCs, (kleine) Speicher, AD-DA-Wandler, Regler, Multiplexer
10. Wire
11. Wired-And

Sensor

1. Werte
2. Betriebsspannung max. 3,6V
3. SCL, SDA max 3,9 V
4. Betrieb mit Arduino über 3,3V-Anschluss
5. Arduino Pullup ca. 50k
6. SCL und SDA über Pullup 10k auf 3,3V ergibt über Spannungsteiler: 3,46V (50k) bzw. 3,63V (20k)

• Demoprogramme
  • Sensoren
  • Wire

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Letzte Änderung: 28. April 2023 18:18