Interfejs I2C slave w AVR - BascomAVR.pdf - BascomAVR - Stallone2

NotatNik koNstruktora

w mikrokontrolerach AVR

Zaprojektowany przez Philipsa interfejs I 2 C pozwala prowadzić

komunikację pomiędzy inteligentnymi modułami, a nawet

pojedynczymi układami systemów cyfrowych, przy wykorzystaniu

bardzo prostej, dwuprzewodowej magistrali szeregowej. Interfejs ten

stał się jednym z najbardziej popularnych standardów stosowanych

przez wielu światowych producentów, choć z przyczyn licencyjnych

nie zawsze występuje jako I 2 C.

Rekomendacje: przykłady przedstawione w artykule należy

traktować jako wskazówkę i inspirację przydatną podczas realizacji

własnych projektów.

Dodatkowe materiały na CD i FtP:

host: ep.com.pl , user: 12235 , pass: 60u61csy

• listingi do artykułu

widłowe przesłanie bajtu danych jest sygnali-

zowane sekwencją potwierdzenia (ACK).

Urządzenia konstruowane współcześnie

najczęściej budowane są jako zespół spe-

cjalizowanych bloków połączonych ze sobą

w jeden system. Każdy z takich bloków reali-

zuje przydzieloną mu funkcję, a wszystkim

steruje najczęściej mikrokontroler. Aby urzą-

dzenie takie mogło działać prawidłowo, ko-

nieczne jest komunikowanie się między sobą

poszczególnych bloków, czasami bezpośred-

nio, czasami poprzez nadzorujący mikrokon-

troler. Do prowadzenia takiej łączności moż-

na stosować wiele istniejących standardów.

Jednym z najlepszych w tym zakresie jest

I 2 C. W celu uniknięcia chaosu jeden z tych

bloków pełni funkcję master, pozostałe bloki

(każdy z nich może zawierać własny mikro-

kontroler) są podporządkowane.

Wiele specjalizowanych układów ma

fabrycznie zaimplementowany interfejs I 2 C,

pracujący najczęściej jako slave. Nie zawsze

jednak układy takie nadają się do bezpośred-

niego zastosowania w danym urządzeniu.

Jednym ze sposobów poradzenia sobie z tego

typu problemami może być implementacja

podrzędnego interfejsu I 2 C w mikrokontro-

lerze. Dzięki takiemu rozwiązaniu (głównie

dzięki możliwości dość swobodnego przy-

stosowania oprogramowania) można uzy-

skać dowolny algorytm działania układu

podrzędnego.

Poniżej zostanie przedstawiona progra-

mowa oraz sprzętowa implementacja pod-

rzędnego interfejsu I 2 C w zasobach mikrokon-

trolera AVR. Należy zwrócić uwagę na to, że

niektóre mikrokontrolery AVR mają wbudo-

wany interfejs I 2 C (nazywany przez i rmę At-

mel – TWI), mogący pracować jako układ nad-

rzędny lub podrzędny. Programowy interfejs

I 2 C slave można wykorzystywać zwłaszcza

w małych mikrokontrolera niezawierających

sprzętowego TWI. Zostaną przedstawione

przykłady realizacji układu slave, z którego

układ nadrzędny może odczytać stan dwóch

linii wejściowych portu, wysłać do niego stan

dwóch linii wyjściowych portu, odczytać

wartość napięcia zmierzoną przez przetwor-

nik A/C układu slave oraz wysłać do niego

wartość wypełnienia generowanego przebie-

gu PWM również przez układ slave. Obie

realizacje, programowa i sprzętowa, będą

Sposób dołączania układów do magistrali

I 2 C pokazano na rys. 1 . Układy mogą praco-

wać w trybach master (nadrzędnym) lub slave

(podrzędnym). Układ master steruje transmi-

sją, slave tylko transmituje dane w odpowie-

dzi na rozkazy układu nadrzędnego. W jednej

magistrali I 2 C może pracować kilka układów

nadrzędnych i podrzędnych. Stosowane są

dwa standardy interfejsu – pierwszy przewi-

duje prowadzenie transmisji z prędkościami

do 100 kbit/s (tryb normalny), w drugim pręd-

kość transmisji może dochodzić do 400 kbit/s

(tryb szybki). Dopuszczalna długość połączeń

oraz prędkość transmisji ograniczone są po-

jemnościami pasożytniczymi występującymi

w magistrali. Do transmisji używa się dwóch

linii: SDA – linia danych i SCL – linia zega-

rowa. Każdy układ slave z magistralą I 2 C jest

rozpoznawany przez unikatowy adres, nie-

zależnie od tego, czy jest to mikrokontroler,

pamięć, czy inny układ. Obydwie linie (SDA

i SCL) są liniami dwukierunkowymi i muszą

być podciągane do plusa zasilania przez rezy-

story zewnętrzne (rys. 1 ) . Ich rezystancja wy-

nosi zazwyczaj 4,7 kV. W stanie spoczynku

(gdy dane nie są przesyłane) na obu liniach

występuje wysoki poziom logiczny. Dane

przesyłane magistralą I 2 C są 8-bitowe. Każda

wymiana danych rozpoczyna się sekwencją

startu, a kończy sekwencją stopu. Każde pra-

rys. 1. Łączenie układów do magistrali i 2 C

rys. 2. Przykładowy schemat układu i 2 C slave

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2009

Interfejs I 2 C slave

Interfejs I 2 C slave w mikrokontrolerach AVR

identyczne pod względem funkcjonalnym.

Przykłady interfejsu slave w mikrokontro-

lera AVR zostaną przedstawione w oparciu

o oprogramowanie BASCOM AVR. Pokazana

zostanie również programowa i sprzętowa

realizacja układu master z interfejsem I 2 C

zaimplementowanego w zasoby mikrokon-

trolera. Będzie on odczytywać z układu slave

stan linii wejściowych portu i zapisywać je

do linii wyjściowych układu slave. Układ ten

będzie również odczytaną z przetwornika A/C

wartość wysyłał do układu slave, traktując ją

jako wartość wypełnienia przebiegu PWM ge-

nerowanego przez układ slave. Odczytywane

wartości z układu slave będą wyświetlane na

wyświetlaczu LCD dołączonym do mastera.

Komunikacja z układem slave będzie się od-

bywać z wykorzystaniem prostego protokołu,

składającego się z adresu układu slave, adre-

su komendy i odczytywanej lub zapisywanej

danej. Układ slave zrealizowany w oparciu

o mikrokontroler umożliwia także wybór jego

adresu, na który będzie odpowiadał układ.

nikacja z układem slave (odczyt i zapis da-

nych) może się odbywać za pomocą komend.

W przykładzie będą potrzebne 2 komendy,

które będą służyć do zapisu i odczytu sta-

nu portów mikrokontrolera oraz do odczytu

wartości z przetwornika A/C i zapisu war-

tości do generatora PWM. Przykładowe ko-

mendy dla opisywanego układu slave przed-

stawiono w tab. 1 . Specyi kacja interfejsu I 2 C

umożliwia wykorzystanie jednej komendy

do zapisu i odczytu danych do różnych reje-

strów. Rodzaj operacji (zapis lub odczyt) jest

rozróżniany w adresie układu slave. W przy-

padku odczytu, adres układu slave jest o je-

den większy niż podczas zapisu danych

do układu. Przykładowo: jeśli adres zapisu

układu jest równy 64, to przy odczycie bę-

dzie wykorzystywany adres 65. Oczywiście

w przypadku interfejsu I 2 C należy wcześniej

zapisać do układu adres komendy, która bę-

dzie informowała układ Slave, którą wartość

rejestru ma wysłać do układu master. Na

list. 1 (wszystkie listingi zamieszczono na

CD-EP12/2009) pokazano przykład progra-

mowej realizacji interfejsu I 2 C slave. Do po-

prawnej pracy programowego interfejsu I 2 C

slave wymagana jest biblioteka i2cslave.lib .

Do koni guracji programowego interfejsu I 2 C

służy komenda CONFIG I2CSLAVE . Składnia

tej komendy jest następująca:

CONFIG I2CSLAVE = address , INT =

interrupt , TIMER = tmr

gdzie:

ADDRESS – adres układu slave, musi

być wartością parzystą (nieparzyste wartości

adresu służą do odczytu danych z układu

slave),

INT – domyślny parametr, który wskazu-

je na numer wykorzystywanego przerwania

(domyślnie wykorzystywane jest zewnętrzne

przerwanie INT0),

TIMER – domyślny parametr, który

wskazuje na numer wykorzystywanego time-

ra (domyślnie wykorzystywany jest Timer0).

Pomimo że nazwa wykorzystywanego

przerwania jak i timera może być dodatko-

wo podana, to aby skorzystać z innego prze-

rwania lub timera, należy przekonstruować

zawartość biblioteki i2cslave.lib . Użycie li-

nii PD.4 (T0), która jest wejściem Timera0

oraz linii PD.2 (INT0), która jest wejściem

zewnętrznego przerwania jako linii interfej-

su I 2 C slave, wymagane jest przez bibliote-

kę i2cslave . Timer oraz przerwanie INT0 są

wykorzystywane do realizacji programowego

interfejsu I 2 C Slave. Wynika z tego wniosek,

że programowy interfejs I 2 C slave będzie

działał tylko na tych mikrokontrolerach,

które mają przynajmniej wejścia T0 i INT0.

W programie z list. 1 w instrukcji conﬁ g i2c-

slave został podany tylko adres, jaki ma mieć

układ podrzędny. Ustalono go na wartość

parzystą, równą 64. Kompilator automatycz-

nie generuje bajt _i2c_slave_address , w któ-

rym przechowywany jest adres układu sla-

ve. Zmieniając zawartość tego bajtu, można

zmienić adres układu slave. Zostało to wyko-

rzystane w przykładowym programie. Adres

układu slave został uzależniony od stanu li-

nii wejściowych PC1 i PC2 mikrokontrolera.

Zmianę adresu układu slave zrealizowano

w następujący sposób:

Adres_sl = Pinc And &B00000110

‚odczyt stanu linii PC1 i PC2

określających adres Slave

_i2c_slave_address = 64 + Adres_sl

‚zapis adresu Slave

W tab. 2 pokazano możliwe do wyboru

wartości adresów w zależności od stanów

na liniach PC1 i PC2 mikrokontrolera. Ge-

nerowana jest także zmienna _i2c_slave_ad-

dress_received , w której jest przechowywa-

ny odebrany od układu master adres. Kod

biblioteki I 2 C slave wywołuje dwa podpro-

gramy, których zawartość należy samemu

przygotować i od której będzie zależeć dzia-

łanie układu slave. Jeśli układ Master żąda

odczytania bajtu, wtedy wywoływany jest

podprogram oznaczony etykietą I2c_master_

needs_data . Wysyłane dane do mastera na-

leży umieszczać w zmiennej _a1 , która jest

odzwierciedleniem rejestru R16 mikrokon-

trolera. W tym podprogramie umieszczono

kod, który umożliwia w zależności od wysła-

nej przez master komendy, odczytanie war-

tości z przetwornika A/C oraz stanu dwóch

linii portu PB. Jeśli układ master przesyła

dane, wtedy wywoływany jest podprogram

oznaczony etykietą I2c_master_has_data .

Przesyłane przez master dane są zapisywa-

ne w zmiennej _a1 . W tym podprogramie,

w ramach przykładu, odczytywane są dwie

wartości przesyłane przez master, które zo-

stają zapisane do tablicy. Pierwszą wartością

jest komenda, a drugą wartość zapisywana

do rejestru adresowanego otrzymaną komen-

dą. Gdy zostaną odebrane dwa bajty danych,

zapisanie wartości do dwóch linii wyjścio-

wych portu PB oraz generatora PWM na-

stępuje w programie głównym i jest zależne

od otrzymanej komendy (pierwszego bajtu).

W programie głównym, oprócz zapisu otrzy-

manych od układu master danych, następuje

również odczyt wartości z przetwornika A/C

i konwersja odczytanej wartości 10-bitowej

do postaci 8-bitowej. Jak można się prze-

konać, program układu slave nie jest zbyt

skomplikowany i można go w prosty sposób

rozbudować, dostosowując do własnych po-

trzeb. W przykładzie z układem slave będzie

się on komunikował z prostym układem ma-

ster, którego schemat pokazano na rys. 3 . Do

mikrokontrolera został dołączony jedynie

wyświetlacz LCD. Do magistrali I 2 C dołączo-

no wymagane rezystory podciągające R1, R2.

Potencjometr P1 umożliwia regulację kontra-

stu wyświetlacza. Na list. 2 przedstawiono

przykład programowej realizacji interfejsu

I 2 C master. Pierwszą operacją wykonywaną

w programie jest odczyt dwóch linii wejścio-

wych układu I 2 C slave. Ich stan jest następ-

nie wyświetlany w pierwszej linii wyświetla-

Programowa realizacja interfejsu

I 2 C slave

Na rys. 2 został pokazany przykładowy

schemat układu I 2 C slave. Porty, do których

zostały dołączone przyciski S1 i S2, są skon-

i gurowane jako wejściowe. Ich stan może

odczytywać układ master. Porty, do których

zostały dołączone diody D1 i D2, pracują

w trybie wyjściowym. Ich stanem również

może sterować układ master. Wejściowa li-

nia PC0 stanowi wejście 10-bitowego prze-

twornika A/C wbudowanego w mikrokon-

troler. Potencjometr P1 umożliwia zmianę

napięcia mierzonego przez przetwornik A/C.

Elementy L1, C1 i C2 są wymagane do zasila-

nia przetwornika A/C i związanego z nim na-

pięcia referencyjnego, które zostało ustalone

na wartość 5 V. Wyjście sterujące diodą D3

pracuje w trybie generatora PWM. Jasność

świecenia diody D3 będzie zależeć od wy-

pełnienia przebiegu PWM. Zworki JP1 i JP2

umożliwiają wybór adresu układu slave.

W przypadku programowej realizacji inter-

fejsu I 2 C, linia SCL jest dołączona do portu

PD4 mikrokontrolera, a linia SDA do PD2.

Taki wybór linii mikrokontrolera związany

jest z budową biblioteki i2cslave.lib znaj-

dującej się w pakiecie Bascom AVR. Komu-

Tab. 1. Komendy układu slave

Komenda

Adres

Odczyt Zapis

1 PB4, PB5 PB2, PB3

2 ADC PWM

Tab. 2. Adresy układu slave

A0 A1 Adres

0 64

0 66

1 68

1 70

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2009

NotatNik koNstruktora

cza LCD. Po przeliczeniu, stan linii wejścio-

wych jest wysyłany z powrotem do układu

slave i tu jest zapisywany do dwóch linii

wyjściowych. Naciśnięcie któregoś z przy-

cisków S1 lub S2 w układzie slave będzie

więc powodować zaświecenie diod LED

dołączonych do wyjść układu I 2 C slave.

W dalszej kolejności w programie odczy-

tywana jest wartość zmierzona przez prze-

twornik A/C. Po jej wyświetleniu w drugiej

linii wyświetlacza, jest ona z powrotem

wysyłana do układu slave, gdzie jest zapi-

sywana do rejestru wypełnienia przebiegu

PWM. Ustawiając napięcie potencjometrem

P1 w układzie slave, można więc regulo-

wać jasność diody D3 sterowanej przebie-

giem PWM. Opisywany algorytm działania

układu master działa w pętli wykonywanej

co około 200 ms. Master komunikuje się

z układem slave, wykorzystując adres 64.

Adres 65 jest używany podczas odczytu

wartości z układu slave. Warto zauważyć,

że wartość zmiennej adres_c jest adresem

komendy zgodnym z tab. 1. Na rys. 4 poka-

zano format zapisu danych do układu I 2 C

slave. Wysyłane są kolejno: znacznik startu,

adres układu, kod komendy i wartość ko-

mendy. Na rys. 5 pokazano format odczytu

danych z układu slave. W tym przypadku

najpierw wysyła się znacznik startu, ad-

res slave do zapisu i komendę. Następnie

po ponownym wysłaniu znacznika startu

wysyłany jest adres odczytu z układu slave

i dalej można już odebrać wartość poprzed-

nio zaadresowaną wartością komendy. Od-

czyt danych z układu slave jest kończony

znacznikiem NACK, po którym następuje

znacznik stopu. Najmniej znaczący bit ad-

resu układu slave wskazuje, czy dane będą

zapisywane, czy odczytywane.

rys. 3. Przykładowy układ master

rys. 4. Format zapisu danych do układu i 2 C slave

rys. 5. Format odczytu danych z układu slave

Koniguracja sprzętowego interfejsu TWI tak,

aby pracował jako slave, umożliwia komen-

da CONFIG TWISLAVE , której składnia jest

następująca:

CONFIG TWISLAVE = address , BTR =

value , BITRATE = value SAVE=option

gdzie:

Addresss – parzysty adres układu sla-

ve,

BTR – liczba odbieranych danych (układ

slave będzie oczekiwał na podaną liczbę od-

bieranych danych),

Sprzętowa realizacja interfejsu I 2 C

slave

Niektóre większe mikrokontrolery AVR

wyposażono w moduł TWI, który jest zgod-

ny ze specyikacją I 2 C. Układ TWI umożliwia

pracę w trybie nadrzędnym oraz podrzęd-

nym, z prędkością transmisji do 400 kbps.

W przypadku sprzętowej realizacji interfej-

su I 2 C zostanie przedstawiony identyczny

przykład działania, jak w poprzednim przy-

kładzie interfejsu I 2 C zrealizowanego progra-

mowo. Przy sprzętowej realizacji interfejsu

I 2 C slave linie interfejsu I 2 C (w przypadku

mikrokontrolera ATmega8) są dołączone do

portów PC4 (SD) i PC5 (SC), co zostało za-

znaczone na schemacie z rys. 2. Na rys. 6

przedstawiono schemat blokowy sprzę-

towego interfejsu I 2 C (TWI). W jego skład

wchodzą: jednostka kontrolna interfejsu,

jednostka adresowa oraz generator prędkości

transmisji. Na list. 3 przedstawiono przykład

programu realizującego układ I 2 C slave z wy-

korzystaniem TWI. W Bascomie do tego celu

wymagana jest biblioteka i2c_twi–slave.lbx .

rys. 6. schemat blokowy sprzętowego interfejsu i 2 C (tWi)

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2009

Interfejs I 2 C slave w mikrokontrolerach AVR

BITRATE – wartość częstotliwości zegara

(100000 oznacza 100 kHz),

SAVE – informuje kompilator, czy pod-

czas przerwania mają być zapisywane reje-

stry mikrokontrolera.

Kompilator automatycznie tworzy

zmienne Twi , Twi_btr i Twi_btw . Zmienna

Twi przechowuje otrzymany lub wysyłany

bajt danych. Zmienna Twi_btr jest indek-

sem otrzymanych danych. Za jej pomocą

można w prosty sposób otrzymywane dane

umieszczać w tablicy. Zmienna Twi_btw

może być wykorzystywana do sprawdza-

nia, której wartości potrzebuje master.

Ponieważ w TWI wykorzystywane jest

przerwanie, należy odblokować globalny

system przerwań. W przykładowym pro-

gramie koniguracja interfejsu TWI slave

jest następująca:

Conig Twislave = 64 , Btr = 1 , Bitrate

= 100000

Adres układu slave jest równy 64, ocze-

kiwany będzie jeden bajt danych, a często-

tliwość przebiegu zegarowego będzie równa

100 kHz. Adres układu slave jest przecho-

wywany w rejestrze Twar i za jego pomocą

można zmienić adres układu slave, który

w przykładzie jest zależny od linii PC1

i PC2 mikrokontrolera. Gdy master wysyła

dane, wywoływany jest podprogram Twi_

gotdata , w którym odbierane są dwa bajty

danych. Po zdekodowaniu są one następnie

w pętli głównej programu zapisywane albo

do rejestru PWM, albo linii wyjściowych

portu PB – w zależności od komendy. Gdy

master odczytuje dane z układu slave, wy-

woływany jest podprogram oznaczony ety-

kietą Twi_master_needs_byte . W zależności

od zapisanej komendy następuje w nim

wysłanie do mastera stanów linii wejścio-

wych portu PB bądź zmierzonej wartości

przez przetwornik A/C. Zawartość pod-

programów wywoływanych przez interfejs

TWI jest prawie identyczna jak w przy-

padku procedur wywoływanych przez

programowy interfejs I 2 C slave. Sprzętowy

interfejs I 2 C slave wywołuje kilka innych

podprogramów, które zazwyczaj nie będą

wykorzystywane, a o których można się

więcej dowiedzieć z pomocy Bascom AVR.

Na list. 4 został przedstawiony przykład

sprzętowej realizacji układu I 2 C master.

W przypadku sprzętowej realizacji interfej-

su I 2 C pracującego jako master wymagana

jest koniguracja częstotliwości sygnału ze-

garowego sprzętowego interfejsu I 2 C (TWI).

Nie można również zapomnieć o konigu-

racji linii interfejsu I 2 C. Informacją dla

kompilatora, że będzie używany sprzętowy

interfejs I 2 C, jest załączenie w programie

biblioteki i2c_twi.lbx . Do koniguracji czę-

stotliwości zegara sprzętowego interfejsu

TWI służy instrukcja CONFIG TWI, której

parametrem jest częstotliwość linii zegaro-

wej. Wartość 100.000 będzie informować

o częstotliwości 100 kHz. Częstotliwość

sygnału zegarowego magistrali I 2 C nie po-

winna być większa niż 400 kHz. Instrukcje

wykorzystywane do komunikacji z inter-

fejsem I 2 C slave są identyczne jak w przy-

padku programowej realizacji interfejsu I 2 C

master.

Podsumowanie

Wykorzystanie interfejsu I 2 C do połą-

czenia ze sobą kilku bloków urządzenia

jest wyborem prostym i tanim. W małych

mikrokontrolerach AVR z wejściami INT0

i T0, ale niemających interfejsu TWI, moż-

na zastosować programowy interfejs I 2 C

slave lub master. W większych mikrokon-

trolerach AVR, choćby z rodziny ATmega,

bez problemu można wykorzystać zawarty

w nich blok TWI pracujący w koniguracji

slave. Dzięki implementacji interfejsu I 2 C

slave w mikrokontrolerach, można zbudo-

wać układ podrzędny, który w elastyczny

sposób będzie mógł być dostosowany do

własnych potrzeb.

Marcin Wiązania, EP

marcin.wiazania@ep.com.pl

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 12/2009

Interfejs I2C slave w AVR - BascomAVR.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: