Arduino中進(jìn)行I2C通信發(fā)送數(shù)據(jù)案例分析

在之前的文章中，我們介紹了Arduino之間的SPI通信。今天我們將學(xué)習(xí)另一種串行通信協(xié)議：I2C（內(nèi)部集成電路）。比較I2C和SPI，I2C只有兩條線，而SPI使用四條，I2C可以有多個(gè)主機(jī)和從機(jī)，而SPI只能有一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)。因此，如果項(xiàng)目中有多個(gè)微控制器需要作為主機(jī)，那么就采用I2C。 I2C通信通常用于與陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓傳感器、LED顯示器等進(jìn)行通信。

在本篇文章中，我們將使用I2C總線在兩個(gè)arduino開(kāi)發(fā)板之間進(jìn)行通信，并且使用電位計(jì)將值（0到127）相互發(fā)送。這些值將顯示在連接到每個(gè)Arduino的1602液晶顯示屏上。文章中，一個(gè)Arduino開(kāi)發(fā)板作為主機(jī)，另一個(gè)開(kāi)發(fā)板作為從機(jī)?，F(xiàn)在讓我們從關(guān)于I2C通信的介紹開(kāi)始吧。

什么是I2C通信協(xié)議？

術(shù)語(yǔ)IIC代表“Inter Integrated Circuits”。它通常表示為I2C或IIC，甚至在某些地方表示為2線接口協(xié)議（TWI），但它們代表的含義是一樣的。 I2C是同步通信協(xié)議，也就是說(shuō)共享信息的設(shè)備必須共享公共時(shí)鐘信號(hào)。它只有兩根線來(lái)共享信息，其中一根用于時(shí)鐘信號(hào)，另一根用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

I2C通信如何工作？

I2C通信最初由Phillips引入。如前所述，它有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線將連接在兩個(gè)設(shè)備上。這里一個(gè)設(shè)備稱(chēng)為主機(jī)，另一個(gè)設(shè)備稱(chēng)為從機(jī)。通信應(yīng)該并且將始終發(fā)生在一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)之間。 I2C通信的優(yōu)點(diǎn)是可以將多個(gè)從機(jī)連接到一個(gè)主機(jī)。

完整的通信通過(guò)這兩條導(dǎo)線進(jìn)行，即串行時(shí)鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）。

● 串行時(shí)鐘（SCL）：與主設(shè)備共享主設(shè)備生成的時(shí)鐘信號(hào)

● 串行數(shù)據(jù)（SDA）：在主機(jī)和從機(jī)之間發(fā)送數(shù)據(jù)。

在任何給定時(shí)間，只有主機(jī)才能啟動(dòng)通信。由于總線中有多個(gè)從站，因此主站必須使用不同的地址來(lái)引用每個(gè)從站。當(dāng)被尋址時(shí)，只有具有該特定地址的從機(jī)將應(yīng)答該信息，而其他地址繼續(xù)退出。這樣我們就可以使用相同的總線與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

I2C的電壓電平未預(yù)定義。 I2C通信靈活，意味著由5v電源供電的器件，可以使用5v用于I2C，3.3v器件可以使用3v進(jìn)行I2C通信。但是，如果兩個(gè)運(yùn)行在不同電壓下的設(shè)備需要使用I2C進(jìn)行通信呢？ 5V I2C總線不能與3.3V器件連接。在這種情況下，電壓移位器用于匹配兩個(gè)I2C總線之間的電壓電平。

有一些條件可以構(gòu)成傳輸。傳輸?shù)某跏蓟瘡腟DA的下降沿開(kāi)始，在下圖中定義為“START”條件，其中主機(jī)將SCL設(shè)為高電平，同時(shí)將SDA設(shè)置為低電平。如下圖所示，

SDA的下降沿是START條件的硬件觸發(fā)。在此之后，同一總線上的所有設(shè)備都進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式。

同樣的，SDA的上升沿停止傳輸，在上圖中顯示為“STOP”條件，其中主機(jī)將SCL置為高電平并且還釋放SDA以變?yōu)楦唠娖健Ｒ虼?，SDA的上升沿會(huì)阻止傳輸。

R / W位表示后續(xù)字節(jié)的傳輸方向，如果為高電平表示從機(jī)將發(fā)送，如果為低則表示主機(jī)將發(fā)送。

每個(gè)位在每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送，因此傳輸一個(gè)字節(jié)需要8個(gè)時(shí)鐘周期。在發(fā)送或接收每個(gè)字節(jié)之后，保持第九個(gè)時(shí)鐘周期用于ACK / NACK（確認(rèn)/未確認(rèn)）。該ACK位由從機(jī)或主機(jī)根據(jù)情況生成。對(duì)于ACK位，SDA在第9個(gè)時(shí)鐘周期由主機(jī)或從機(jī)設(shè)置為低電平。所以它被認(rèn)為是低，否則NACK。

在哪里使用I2C通信？

I2C通信僅用于短距離通信。它在某種程度上肯定是可靠的，因?yàn)樗哂型降臅r(shí)鐘脈沖以使其智能化。該協(xié)議主要用于與必須向主設(shè)備發(fā)送信息的傳感器或其他設(shè)備進(jìn)行通信。當(dāng)微控制器必須使用最少的導(dǎo)線與許多其他從模塊通信時(shí)非常方便。如果您正在尋找遠(yuǎn)程通信，您應(yīng)該嘗試RS232，如果您正在尋找更可靠的通信，您應(yīng)該嘗試SPI協(xié)議。

Arduino中的I2C

下圖顯示了Arduino UNO中的I2C引腳。

I2C總線Arduino中的引腳

SDAA4

SCLA5

在開(kāi)始使用兩個(gè)Arduino編程I2C之前，我們需要了解Arduino IDE中使用的Wire庫(kù)。

庫(kù)《Wire.h》包含在程序中，用于使用以下I2C通信函數(shù)。

1. Wire.begin（address）：

用途：該庫(kù)用于與I2C設(shè)備進(jìn)行通信。初始化Wire庫(kù)，并作為從機(jī)或主機(jī)加入I2C總線。

address：7位從機(jī)地址是可選的，如果未指定地址，類(lèi)似［Wire.begin（）］，將作為主機(jī)加入總線。

2. Wire.read（）：

用途：該函數(shù)用于讀取從主機(jī)或從機(jī)接收的字節(jié)，該字節(jié)是在調(diào)用requestFrom（）后從一個(gè)從機(jī)發(fā)送到主設(shè)備的字節(jié)，或從主設(shè)備發(fā)送到從機(jī)的字節(jié)。

3. Wire.write（）：

用途：該函數(shù)用于將數(shù)據(jù)寫(xiě)入從機(jī)或主機(jī)。

從機(jī)到主機(jī)：當(dāng)主站中使用Wire.RequestFrom（）時(shí)，從機(jī)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入主機(jī)。

主機(jī)到從機(jī)：從主機(jī)到從機(jī)的傳輸，Wire.write（）用在調(diào)用Wire.beginTransmission（）和Wire.endTransmission（）之間。

Wire.write（）可以寫(xiě)成：

? Wire.write（value）

value：要作為單個(gè)字節(jié)發(fā)送的值。

? Wire.write（string）：

string：要作為一系列字節(jié)發(fā)送的字符串。

? Wire.write（data，length）：

data：要作為字節(jié)發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)組

length：要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

4. Wire.beginTransmission（address）：

用途：該函數(shù)用于開(kāi)始使用給定的從地址傳輸?shù)絀2C設(shè)備。隨后，使用write（）函數(shù)構(gòu)建用于傳輸?shù)淖止?jié)隊(duì)列，然后通過(guò)調(diào)用endTransmission（）函數(shù)傳輸它們。

address：發(fā)送設(shè)備的7位地址。

5. Wire.endTransmission（）;

用途：此函數(shù)用于結(jié)束由beginTransmission（）發(fā)起的從機(jī)的傳輸，并傳輸由Wire.write（）排隊(duì)的字節(jié)。

6. Wire.onRequest（）;

用途：當(dāng)主設(shè)備使用Wire.requestFrom（）請(qǐng)求來(lái)自從設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，將調(diào)用此函數(shù)。這里我們可以包含Wire.write（）函數(shù)來(lái)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

7. Wire.onReceive（）;

用途：當(dāng)從設(shè)備從主設(shè)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，將調(diào)用此函數(shù)。這里我們可以包含Wire.read（）;用于讀取從主站發(fā)送的數(shù)據(jù)的函數(shù)。

8. Wire.requestFrom（addres，quantity）;

用途：該函數(shù)在主設(shè)備中用于從從設(shè)備請(qǐng)求字節(jié)。函數(shù)Wire.read（）用于讀取從設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。

address：要從中請(qǐng)求字節(jié)的設(shè)備的7位地址

quantity：要請(qǐng)求的字節(jié)數(shù)

需要的組件

● Arduino Uno開(kāi)發(fā)板

● 1602 LCD顯示模塊

● 10K電位器

● 面包板

● 連接導(dǎo)線

電路原理圖

工作過(guò)程

這里為了演示Arduino中的I2C通信，我們使用兩個(gè)Arduino UNO和兩個(gè)1602 LCD顯示器相互連接，并在兩個(gè)arduino開(kāi)發(fā)板上使用兩個(gè)電位器來(lái)確定從主設(shè)備到從設(shè)備和從設(shè)備到主設(shè)備的發(fā)送值（0到127）通過(guò)改變電位器。

我們使用電位器將arduino引腳A0的輸入模擬值從（0到5V）轉(zhuǎn)換為模擬到數(shù)字值（0到1023）。然后，這些ADC值進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為（0到127），因?yàn)槲覀冎荒芡ㄟ^(guò)I2C通信發(fā)送7位數(shù)據(jù)。 I2C通信通過(guò)arduino的A4和A5引腳上的兩條線進(jìn)行。

通過(guò)改變主機(jī)的電位器，從機(jī)Arduino開(kāi)發(fā)板的LCD的值將發(fā)生變化，反之亦然。

Arduino中的I2C編程

本篇文章有兩個(gè)程序，一個(gè)用于主機(jī)Arduino，另一個(gè)用于從機(jī)Arduino。

主機(jī)Arduino編程介紹

1.首先，我們需要包含用于使用I2C通信功能的Wire庫(kù)和用于使用LCD功能的LCD庫(kù)。還需要為1602 LCD定義LCD引腳。

#include《Wire.h》

#include《LiquidCrystal.h》

LiquidCrystal lcd（2， 7， 8， 9， 10， 11）;

2.在void setup（）函數(shù)中，

我們以波特率9600啟動(dòng)串行通信。

Serial.begin（9600）;

接下來(lái)在引腳（A4，A5）上啟動(dòng)I2C通信

Wire.begin（）; //Begins I2C communication at pin （A4，A5）

接下來(lái)我們?cè)?602模式下初始化LCD顯示模塊并顯示歡迎信息，然后在五秒后清除。

lcd.begin（16，2）; //Initilize LCD display

lcd.setCursor（0，0）; //Sets Cursor at first line of Display

lcd.print（“Circuit Digest”）; //Prints CIRCUIT DIGEST in LCD

lcd.setCursor（0，1）; //Sets Cursor at second line of Display

lcd.print（“I2C 2 ARDUINO”）; //Prints I2C ARDUINO in LCD

delay（5000）; //Delay for 5 seconds

lcd.clear（）; //Clears LCD display

3.在void loop（）函數(shù)中

首先，我們需要從Slave獲取數(shù)據(jù)，因此我們使用requestFrom（）和從地址8，我們請(qǐng)求一個(gè)字節(jié)

Wire.requestFrom（8，1）;

使用Wire.read（）讀取接收的值

byte MasterReceive = Wire.read（）;

接下來(lái)，我們需要讀取連接到引腳A0的主機(jī)arduino電位器的模擬值

int potvalue = analogRead（A0）;

我們將該值轉(zhuǎn)換為0到127的字節(jié)。

byte MasterSend = map（potvalue，0，1023，0，127）;

接下來(lái)我們需要發(fā)送轉(zhuǎn)換后的值，使用8地址開(kāi)始從機(jī)sarduino的傳輸

Wire.beginTransmission（8）;

Wire.write（MasterSend）;

Wire.endTransmission（）;

接下來(lái)，我們顯示來(lái)自從機(jī)arduino的接收值，延遲為500微秒，我們不斷接收并顯示這些值。

lcd.setCursor（0，0）; //Sets Currsor at line one of LCD

lcd.print（“》》 Master 《《”）; //Prints 》》 Master 《《 at LCD

lcd.setCursor（0，1）; //Sets Cursor at line two of LCD

lcd.print（“SlaveVal：”）; //Prints SlaveVal： in LCD

lcd.print（MasterReceive）; //Prints MasterReceive in LCD received from Slave

Serial.println（“Master Received From Slave”）; //Prints in Serial Monitor

Serial.println（MasterReceive）;

delay（500）;

lcd.clear（）;

從機(jī)Arduino編程介紹

1.與主機(jī)設(shè)備相同，首先我們需要包含用于使用I2C通信功能的Wire庫(kù)和用于使用LCD功能的LCD庫(kù)。還為1602 LCD定義LCD引腳。

#include《Wire.h》

#include《LiquidCrystal.h》

LiquidCrystal lcd（2， 7， 8， 9， 10， 11）;

2. 在void setup（）函數(shù)中，

我們以波特率9600啟動(dòng)串行通信。

Serial.begin（9600）;

接下來(lái)在引腳（A4，A5）上啟動(dòng)I2C通信，從地址設(shè)定為8。這里指定從地址非常重要。

Wire.begin（8）;

接下來(lái)，當(dāng)從機(jī)從主機(jī)接收值并且主機(jī)請(qǐng)求從機(jī)的值時(shí)，我們需要調(diào)用該函數(shù)

Wire.onReceive（receiveEvent）;

Wire.onRequest（requestEvent）;

接下來(lái)我們?cè)?6X2模式下初始化LCD顯示模塊并顯示歡迎信息，然后在五秒后清除。

lcd.begin（16，2）; //Initilize LCD display

lcd.setCursor（0，0）; //Sets Cursor at first line of Display

lcd.print（“Circuit Digest”）; //Prints CIRCUIT DIGEST in LCD

lcd.setCursor（0，1）; //Sets Cursor at second line of Display

lcd.print（“I2C 2 ARDUINO”）; //Prints I2C ARDUINO in LCD

delay（5000）; //Delay for 5 seconds

lcd.clear（）; //Clears LCD display

3.接下來(lái)，我們有兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)用于請(qǐng)求事件，另一個(gè)用于接收事件

對(duì)于請(qǐng)求事件

當(dāng)主機(jī)從從機(jī)請(qǐng)求值時(shí)，將執(zhí)行該函數(shù)。此函數(shù)從從機(jī)電位器獲取輸入值并以7位轉(zhuǎn)換，然后將該值發(fā)送給主機(jī)。

void requestEvent（）

{

int potvalue = analogRead（A0）;

byte SlaveSend = map（potvalue，0，1023，0，127）;

Wire.write（SlaveSend）;

}

對(duì)于接收事件

當(dāng)主機(jī)通過(guò)從機(jī)地址（8）向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將執(zhí)行該函數(shù)。此函數(shù)從主機(jī)讀取接收的值并存儲(chǔ)在byte類(lèi)型的變量中。

void receiveEvent （int howMany）

{

SlaveReceived = Wire.read（）;

}

4. 在void loop（）函數(shù)中：

我們?cè)贚CD顯示模塊中連續(xù)顯示主設(shè)備的接收值。

void loop（void）

{

lcd.setCursor（0，0）; //Sets Currsor at line one of LCD

lcd.print（“》》 Slave 《《”）; //Prints 》》 Slave 《《 at LCD

lcd.setCursor（0，1）; //Sets Cursor at line two of LCD

lcd.print（“MasterVal：”）; //Prints MasterVal： in LCD

lcd.print（SlaveReceived）; //Prints SlaveReceived value in LCD received from Master

Serial.println（“Slave Received From Master：”）; //Prints in Serial Monitor

Serial.println（SlaveReceived）;

delay（500）;

lcd.clear（）;

}

通過(guò)旋轉(zhuǎn)一側(cè)的電位器，您可以在另一側(cè)看到LCD上的變化值：

以上就是在Arduino中進(jìn)行I2C通信的方式，這里我們不僅使用兩個(gè)Arduino開(kāi)發(fā)板來(lái)演示通過(guò)I2C通信發(fā)送數(shù)據(jù)，而且還演示了接收數(shù)據(jù)。所以現(xiàn)在你可以將任何I2C傳感器連接到Arduino。
編輯：hfy