Nghiên cứu Khoa học
Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Intergrated Circuit)
- 18/04/2023
- Nghiên cứu Khoa học
I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit. Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C mặc dù được phát triển bới Philips, nhưng nó đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng. I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Philips như: Texas Intrument (TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor ... Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM... chip nhớ như: RAM tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), IC điểu khiển LCD, LED...
I2C kết hợp các tính năng tốt nhất của SPI và UART. Với I2C, bạn có thể kết nối nhiều slave với một master duy nhất (như SPI) và bạn có thể có nhiều master điều khiển một hoặc nhiều slave. Điều này thực sự hữu ích khi bạn muốn có nhiều hơn một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển thị văn bản trên một màn hình LCD.
Ưu điểm và nhược điểm của I2C:
o Chỉ sử dụng hai dây
o Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave
o Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công
o Phần cứng ít phức tạp hơn so với UART
o Giao thức nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi
o Tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI
o Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit
o Cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI
− Thông số Kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 2.5 – 6V DC.
- Hỗ trợ màn hình LCD:16x2, 16x4, 20x4.
- Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
- Kích thước: 41.5mm(L) x 19mm(W) x 15.3mm(H).
- Trọng lương: 5g.
- Tích hợp Jump tốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
Hình 1: phân tích I2C
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
- Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz).
- Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng.
Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởỉ một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hãy tớ (slave).
Thiết bị Master và Slave:
- Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ. Trên một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ. Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị chủ-tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp. Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp. Ở bất cứ thời điểm nào thì chỉ có duy nhất một thiết bị Master ở trang thái hoạt động trên bus I2C. Nó điều khiển đường tín hiệu đồng hồ SCL và quyết định hoạt động nào sẽ được thực hiện trên đường dữ liệu SDA.
- Tất cả các thiết bị đáp ứng các hướng dẫn từ thiết bị Master này đều là Slave. Để phân biệt giữa nhiều thiết bị Slave được kết nối với cùng một bus I2C, mỗi thiết bị Slave được gán một địa chỉ vật lý 7-bit cố định.
- Khi một thiết bị Master muốn truyền dữ liệu đến hoặc nhận dữ liệu từ một thiết bị Slave, nó xác định địa chỉ thiết bị Slave cụ thể này trên đường SDA và sau đó tiến hành truyền dữ liệu. Vì vậy, giao tiếp có hiệu quả diễn ra giữa thiết bị Master và một thiết bị Slave cụ thể.
Tất cả các thiết bị Slave khác không phản hồi trừ khi địa chỉ của chúng được chỉ định bởi thiết bị Master trên dòng SDA.
- Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7bit để định địa chỉ, do đó trên một bus có thể có tới 27 địa chỉ tương ứng với 128 thiết bị có thể kết nối, nhưng chỉ có 112, 16 địa chỉ còn lại được sử dụng vào mục đích riêng. Bit còn lại quy định việc đọc hay ghi dữ liệu (1 là write, 0 là read).
- Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó: một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai lối ra điều khiển. Ngoài ra I2C còn có chế độ 10bit địa chỉ tương đương với 1024 địa chỉ, tương tự như 7 bit, chỉ có 1008 thiết bị có thể kết nối, còn lại 16 địa chỉ sẽ dùng để sử dụng mục đích riêng.
− Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:
- Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C.
- Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếp UART. Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết.
- Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền.
- Sử dụng hệ thống địa chỉ 7bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C.
Giao thức truyền dữ liệu:
- Giao thức sau đây (tập hợp các quy tắc) được theo sau bởi thiết bị Master và các thiết bị Slave để truyền dữ liệu giữa chúng.
- Dữ liệu được truyền giữa thiết bị Master và các thiết bị Slave thông qua một đường dữ liệu SDA duy nhất, thông qua các chuỗi có cấu trúc gồm các số 0 và 1 (bit). Mỗi chuỗi số 0 và 1 được gọi là giao dịch (transaction).
- Bất cứ khi nào một thiết bị chủ / IC quyết định bắt đầu một giao dịch, nó sẽ chuyển mạch SDA từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp.
- Khi điều kiện bắt đầu được gửi bởi thiết bị Master, tất cả các thiết bị Slave đều hoạt động ngay cả khi chúng ở chế độ ngủ (sleep mode) và đợi bit địa chỉ.
- Khối địa chỉ: Nó bao gồm 7bit và được lấp đầy với địa chỉ của thiết bị Slave đến/từ đó thiết bị Master cần gửi/nhận dữ liệu. Tất cả các thiết bị Slave trên bus I2C so sánh các bit địa chỉ này với địa chỉ của chúng.
- Bit Read / Write: Bit này xác định hướng truyền dữ liệu. Nếu thiết bị Master / IC cần gửi dữ liệu đến thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘0’. Nếu IC Master cần nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘1’.
- Bit ACK / NACK: ACK / NACK là viết tắt của Acknowledged/Not-Acknowledged. Nếu địa chỉ vật lý của bất kỳ thiết bị Slave nào trùng với địa chỉ được thiết bị Master phát, giá trị của bit này được set là ‘0’ bởi thiết bị Slave. Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’ (mặc định).
- Khối dữ liệu: Nó bao gồm 8bit và chúng được thiết lập bởi bên gửi, với các bit dữ liệu cần truyền tới bên nhận. Khối này được theo sau bởi một bit ACK / NACK và được set thành ‘0’ bởi bên nhận nếu nó nhận thành công dữ liệu. Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’.Sự kết hợp của khối dữ liệu theo sau bởi bit ACK / NACK được lặp lại cho đến quá trình truyền dữ liệu được hoàn tất.
- Điều kiện kết thúc (Stop condition): Sau khi các khung dữ liệu cần thiết được truyền qua đường SDA, thiết bị Master chuyển đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp.
