Comunicação I2C

 I2C

Esse novo barramento foi batizado pela empresa Holandesa (Philips) como Inter IC ou I2C e possibilita a utilização de grande quantidade de componentes padronizados, os quais podem realizar diversas funções, além de possibilitar a troca eficaz de informações entre eles. Esse novo barramento obteve uma grande aceitação do mercado, tornando-se um dos mais utilizados e isso foi determinante para a crianção da versão 2.0, lançada em 1998.

O conceito do barramento I2C é facilitar a integração de circuitos de caráter final de aplicação como por exemplo sensores e conversores , com um sistema de controle, de modo que eles possam trabalhar com seus sinais de maneira direta.

 O barramento I2C

Uma característica bastante interessante deste barramento é a possibilidade de utilizar, em um mesmo sistema, componentes de tecnologias construtivas diferentes sem que haja incompatibilidade e nem conflitos na comunicação.

No I2C a transmissão da informação entre os dispositivos é feita através de 2 fios (Serial Data DAS e Serial Clock SCL).

Os dispositivos ligados em Inter IC possuem um endereço fixo (cada componente recebe um endereço específico), e podemos configurá-los para receber ou transmitir dados; dessa maneira eles podem ser classificados de várias formas, como: mestres (MASTER), escravos (SLAVE), entre outras.

O barramento I2C é do tipo multi-mestre, isso significa que mais de um dispositivo de controle pode ser conectado a ele. No entanto, durante uma comunicação, somente um dos mestres pode estar ativo, ou ocorrerá uma colisão de dados no barramento.

Por exemplo: enquanto um microcontrolador envia sinais a um conversor, um outro microcontrolador troca informações com uma memória usando o mesmo barramento. Tudo isso é possível, graças a uma "arbitragem" que determina qual dos sinais tem prioridade no envio dos dados.

As linhas SDA como SCL são bidirecionais e devem ser ligadas ao positivo da alimentação através de uma fonte de corrente ou de um resistor pull-up, para garantir que ambas as linhas permaneçam em nível alto, quando o barramento está livre. 

Uma das vantagens do padrão I2C é que ele não fixa a velocidade de transmissão (freqüência), pois ela será determinada pelo circuito MASTER (transmissão do SCL).

 Condições de Start e Stop

A comunicação entre os dispositivos mestres e os escravos, conectados ao barramento I2C, é iniciada pela condição de start (início) e finalizada pela condição de stop (fim). Acompanhe a condição de start e stop na figura seguinte:

Dentro da operação I2C, temos os procedimentos start e stop. 

Uma transição de nível alto para baixo na linha SDA, enquanto a linha SCL está no nível alto, é o indicativo da situação de START. Já uma transição do nível baixo para o nível alto da linha SDA enquanto a linha SCL se mantém no nível alto, define uma condição STOP. Sempre o mestre é o responsável pela geração dessas condições. Após uma condição de START o barramento é considerado ocupado, e apenas volta a ficar livre algum tempo depois da condição de STOP.

Se forem geradas condições START seguidamente, o barramento vai se manter ocupado, porém com circuitos apropriados pode-se implementar a função de detectar as condições START e STOP nos dispositivos que devem ser conectados ao barramento.

 Formato dos Dados e Reconhecimento

As informações colocadas na linha SDA devem ter comprimento de 1 byte. O número de bytes que pode ser transferido em cada operação de transferência é limitado, além disso os bytes são transferidos enviando primeiramente o bit mais significativo MSB.

Caso o dispositivo que está recebendo o sinal, por algum motivo, não puder trabalhar os dados recebidos, ele pode alterar a linha SCL, colocando-a no nível baixo, e assim forçar o mestre a entrar num estado de espera. Dessa forma, fomente quando a linha estiver novamente livre a transferência dos dados pode continuar.

Após o escrita/leitura de um byte no barramento, o dispositivo receptor gera um bit de reconhecimento (acknowledge). O sinal de reconhecimento permite a fluência da transferência dos dados. Assim, por exemplo, após a condição de Start e o endereçamento estarem concluídos, o estágio (escravo) selecionado deve fornecer o sinal de reconhecimento (ACK).

O reconhecimento dos dados transferidos é obrigatório. O pulso gerado para esta finalidade é visualizado na figura seguinte:

A linha SDA do receptor é colocada em nível baixo durante o pulso de clock de modo que ele permaneça estável no nível baixo durante o período alto do pulso de clock.

 Endereçamento-padrão

O formato básico de um comando I2C é constituído por 7 bits de endereço, utilizando para especificar o dispositivo escravo a ser acessado, seguido por um bit indicador de leitura/escrita.

Normalmente o endereço básico de um comando I2C é composto por duas partes: a primeira, de 4 bits, especifica o tipo de dispositivo escravo a ser acessado. A segunda, de 3 bits, especifica um entre até oito dispositivos daquele tipo, o qual será acessado.

O bit R/W indica se a operação é de leitura (nível 1) ou de escrita (nível 0).

 Formato da Transmissão

Em um dos formatos de transmissão, talvez o mais utilizado, o transmissor mestre envia os sinais para um receptor escravo, conforme a figura apresentada a seguir:

1)         A transmissão é inicializada pelo mestre através de um bit de start (S).

2)         Em seguida é enviado o endereço físico do escravo ligado ao barramento I2C. O bit LSB desse endereço (R/W) informa se queremos ler ou escrever na memória.

3)         Após a recepção do endereço, o escravo envia um bit de reconhecimento (ACK) na linha SDA, informando para o master que está pronto para receber dados.

4)         Master envia os dados para o escravo. A confirmação do recebimento de cada byte é fornecida pelo bit ACK enviado pelo escravo.

5)         Ao término da comunicação, o master envia a condição de stop.


Gravação

Diagrama de gravação de dados:

Para gravarmos dados (byte) na EEPROM 24CXX, temos de seguir estes processos:

1)         Envio do bit de início da comunicação - START .
2)         Envio do byte com o endereço físico da memória 24CXX no barramento I2C, sendo o bit LSB desse byte (R/W) em nível 0 (escrita), pois vamos escrever na memória.
1)         Envio do endereço na EEPROM em que o dado será gravado.
2)         Envio dos dados (byte).
3)         Envio do bit de finalização de comunicação - STOP.
No processo de escrita, os bits de reconhecimento de dados ACK são gerados pelo receptor (memória). 

Leitura 

Diagrama de leitura de dados:

1)         Envio do bit de início da comunicação - START.
2)         Envio do byte com o endereço físico da memória 24CXX no barramento I2C, sendo o bit LSB desse byte (R/W) em nível 0 (escrita).
3)         Envio do endereço na EEPROM em que será lido o dado.
4)         Envio novamente do bit de início da comunicação - START.
5)         Envio novamente do byte com o endereço físico da memória 24CXX no barramento I2C, sendo o bit LSB desse byte (R/W) agora em nível 1 (leitura), pois vamos ler dados da memória.
6)         Leitura dos dados na memória. A cada byte lido o mestre envia uma confirmação de recebimento de dado ACK no barramento. 
7)         Ao término da leitura, o master informa que não quer mais ler dados através do bit NOACK, e finaliza a leitura pelo bit stop. 

No processo de leitura, os bits de reconhecimento de dados ACK são gerados pelo mestre (receptor). 

Programa de Gravação I2C

Teremos então como exemplo de programa:

 I2C_Init(100000);         // frequencia de clock do barramento I2C (CONSULTAR DATASHEET DO CHIP PARA SABER SUA FREQUENCIA MÁXIMA)
                           //esta função só precisa ser inicializada somente 1 unica vez no programa

 I2C_Start();              // start no barramento i2c
 I2C_Wr(0xA0);             // endereço da memória no barramento + comando de escrita(0)
 I2C_Wr(0x00);             // endereço da eerprom onde será salvo o dado
 I2C_Wr(variavel_A);       // grava a variável A no endereço 00 da memória serial
 I2C_Wr(variavel_B);       // grava a variável B no endereço 01 da memória serial
 I2C_Wr(variavel_C);       // grava a variável C no endereço 02 da memória serial
 I2C_Wr(variavel_D);       // grava a variável D no endereço 03 da memória serial
 I2C_Stop();               // condição de stop na comunicação i2c

Este diagrama de comunicação I2C é padrão e utilizados em muitos dispositivos I2C. Apesar de estarmos se tratando do processo de gravação para a serie de memória 24Cxx, este bloco de comandos são válidos para quase todos outros componentes I2C.Por exemplo: conversores A/D e D/A I2C, como o PCF8591N; RTC - PCF8583N, DS1307, entre outros.

Programa de Leitura I2C

O processo de leitura já em um pouco mais trabalhoso e confuso para muitos programadores, acompanhe:

Teremos então como exemplo de programa:

 I2C_Start();              // start no barramento i2c
 I2C_Wr(0xA0);             // endereço da memória no barramento + comando de escrita(0)
 I2C_Wr(0x00);             // endereço da eeprom onde será lido o byte
 I2C_Repeated_Start();     // re-start no barramento
 I2C_Wr(0xA1);             // endereço da memória no barramento + comando de leitura(1)
 variavel_A = I2C_Rd(1);    // leitura do endereço 00h na variável_A
 variavel_B = I2C_Rd(1);    // leitura do endereço 01h na variável_B
 variavel_C = I2C_Rd(1);    // leitura do endereço 02h na variável_C
 variavel_D = I2C_Rd(0);    // leitura do endereço 03h na variável_D
 I2C_Stop();               // finaliza a comunicação i2c

Acompanhe passo a passo o diagrama de leitura e escrita de dispositivos no barramento I2C. Para programar outros tipos de componentes, basta verificar o diagrama de leitura e escrita no datasheet fornecido pelo fabricante.

referência: wikipedia

Veja também a Bibloteca I2C MikroC.