پروتکل I2C

هر ماژولی که تا حالا وصل کرده‌اید خطوط خودش را می‌خواست: نمایشگر چند پین، سنسور چند پین. حالا تصور کنید پنج ماژول باشد — پین‌های Uno تمام می‌شوند. «گذرگاه I2C» (Inter-Integrated Circuit) پاسخ صنعت به همین مشکل است: با فقط دو سیم مشترک، ده‌ها دستگاه را به یک میکروکنترلر وصل می‌کند. نمایشگرها، ساعت‌های واقعی، سنسورهای دما و شتاب و ده‌ها ماژول دیگر از همین دو سیم حرف می‌زنند. در این درس اصول I2C را می‌آموزید، گذرگاه را اسکن می‌کنید و دو دستگاه را هم‌زمان روی همان دو سیم راه می‌اندازید.

I2C چطور کار می‌کند؟

I2C یک گذرگاه دو سیمی است:

روی گذرگاه دو نقش وجود دارد: «مستر» (Master) که ساعت را می‌سازد و مکالمه را هدایت می‌کند — در مدارهای شما همان آردوینو — و «اسلیو» (Slave) که گوش می‌دهد یا پاسخ می‌دهد؛ هر ماژول یک اسلیو است.

نکتهٔ کلیدی I2C «آدرس» (Address) است: هر اسلیو یک شمارهٔ یکتا دارد، مثلاً 0x27 برای بسیاری از نمایشگرهای LCD با مبدل I2C و 0x68 برای DS3231. مستر ابتدای هر مکالمه آدرس مقصد را روی خط می‌فرستد و فقط دستگاه صاحبِ آن آدرس پاسخ می‌دهد. به همین دلیل همهٔ دستگاه‌ها می‌توانند روی همان دو سیم وصل باشند بدون آنکه حرف‌های هم را قاطی کنند.

سیم‌کشی روی Uno

پین‌های A4 و A5 روی Uno رزرو سخت‌افزاری I2C هستند و جدا از کار آنالوگ‌بودنشان، در مدارهای I2C نقش SDA و SCL دارند. خطوط I2C «open-drain»‌اند: خودشان صفر می‌دهند اما یک را؛ پس به مقاومت «pull-up» به 5V نیاز دارند. خبر خوب: تقریباً همهٔ ماژول‌های آماده (LCD با مبدل، DS3231 و…) مقاومت‌های pull-up را روی برد خودشان دارند و شما چیزی اضافه نمی‌بندید.

کتابخانه Wire

کتابخانهٔ Wire همراه هسته است و فقط include می‌خواهد. توابع پرکاربردش:

• Wire.begin() — شروع کار به‌عنوان مستر.
• Wire.beginTransmission(address) — شروع مکالمه با آدرس مشخص.
• Wire.write(value) — گذاشتن بایت روی خط.
• Wire.endTransmission() — پایان ارسال و آزادسازی گذرگاه.
• Wire.requestFrom(address, count) — درخواست count بایت از یک اسلیو؛ پاسخ با Wire.read() خوانده می‌شود.

اسکن گذرگاه: اسکچ لازم برای هر پروژهٔ I2C

قبل از هر کاری باید بدانید دستگاه‌هایتان واقعاً روی خط هستند و با چه آدرسی. اسکنر زیر تمام آدرس‌های بازهٔ مجاز ۸ تا ۱۱۹ را یکی‌یکی صدا می‌زند و هر دستگاهی که جواب دهد را چاپ می‌کند. مدار آزمایش: یک ماژول LCD با مبدل I2C (آدرس 0x27) روی SDA و SCL با تغذیه 5V:

#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("I2C scanner");
}

void loop() {
  byte count = 0;
  for (byte addr = 8; addr < 120; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {  // 0 means the device answered
      Serial.print("Found device at 0x");
      Serial.println(addr, HEX);
      count++;
    }
  }
  Serial.print("Done, ");
  Serial.print(count);
  Serial.println(" device(s)");
  delay(5000);
}

توضیح نکته‌ها:

1. بازهٔ اسکن ۸ تا ۱۱۹ است؛ آدرس‌های پایین‌تر و بالاتر این بازه رزرو پروتکل‌اند.
2. beginTransmission + endTransmission یک «سلام» خالی است؛ اگر کسی آن آدرس نشسته باشد کد بازگشتی صفر می‌شود.
3. Serial.println(addr, HEX) عدد آدرس را در مبنای شانزده چاپ می‌کند — همان قالبی که دیتاشیت‌ها می‌نویسند.

خروجی سریال مانیتور با LCD متصل چنین است:

اگر اسکنر چیزی پیدا نکرد، تقریباً همیشه مشکل سیم‌کشی است، نه کد؛ جدول عیب‌یابی پایین درس را ببینید.

چند دستگاه روی یک گذرگاه

حالا امتیاز واقعی I2C: همان دو سیم، یک دستگاه دیگر. جدول سیم‌کشی دو دستگاه با هم:

همهٔ پایه‌های SDA به هم و SCL به هم وصل‌اند؛ چون آدرس‌ها متفاوت‌اند، هیچ تداخلی پیش نمی‌آید. اسکنر بالا حالا چنین چاپ می‌کند:

اشتباهات رایج و عیب‌یابی

تمرین‌ها

#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("I2C scanner");
}

void loop() {
  byte count = 0;
  String found = "";
  for (byte addr = 8; addr < 120; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      found += "0x";
      if (addr < 16) found += "0";
      found += String(addr, HEX);
      found += " ";
      count++;
    }
  }
  Serial.print("Devices (");
  Serial.print(count);
  Serial.print("): ");
  Serial.println(found);
  delay(5000);
}

نکتهٔ حل تمرین: شرط if (addr < 16) صفر پیشوند برای آدرس‌های زیر 0x10 می‌گذارد تا قالب آدرس‌ها همیشه دو رقمی شانزده‌شانزده بماند. ::: :::

خلاصه

• I2C با دو خط SDA و SCL کار می‌کند؛ آردوینو مستر است و هر ماژول اسلیوی با آدرس یکتا.
• روی Uno، SDA به A4 و SCL به A5 می‌رود؛ مقاومت‌های pull-up معمولاً روی خود ماژول‌ها هستند.
• کتابخانهٔ Wire با beginTransmission و write و endTransmission می‌نویسد و با requestFrom و read می‌خواند.
• اسکنر I2C ابزار اول هر پروژه است: آدرس واقعی را حدس نزنید، اسکن کنید.
• چند دستگاه با آدرس‌های متفاوت روی همان دو سیم، بدون تداخل، هم‌زمان کار می‌کنند.

I2C دو سیم و آدرس داشت؛ در درس بعدی با SPI آشنا می‌شوید، پروتکل چهار سیمی‌ای که وقتی سرعت مهم است برنده است.