I2C – Protocolo de Comunicação

I2C é a sigla de Inter-Integrated Circuit, e basicamente é um protocolo de comunicação entre dispositivos que “falam” I2C.

Até este momento vimos alguns protocolos de comunicação que o Arduino suporta, como SPI, One-Wire, e mesmo a interface serial é um protocolo de comunicação bem definido. O I2C trabalha no modelo master-slave, com pelo menos um dispositivo atuando como  master, e os demais dispositivos atuando como slave. A função do master é coordenar a comunicação, sendo que é ele quem envia informações a determinado slave ou consulta informações. Não vi nenhum setup, ou tutorial, onde o dispositivo slave inicia a comunicação, sempre é o master quem faz esse papel. Podemos ter mais de um master numa conexão I2C, e até 112 dispositivos slaves. Alguns materiais pela Internet, incluindo o site do Arduino, falam que é possível termos 127 dispositivos num setup I2C, mas eu acredito que esse número seja teórico, e que 112 dispositivos é um número mais realista. Nesta página você encontra um excelente material sobre I2C.

Update Não deixem de conferir os exemplos de utilização. Os links estão no final do post 😉

Conexão utilizando I2C

I2C é um protocolo de barramento(ou bus), ou seja, com os mesmo fios conectamos todos os dispositivos do nosso setup. Essa característica, barramento, é um dos grandes atrativos do I2C, pois reduzimos em muito a necessidade de pinos de conexão no Arduino, pois usaremos sempre os mesmo fios para a conexão, não importa se estamos utilizando 1 ou 127 dispositivos.

i2c bus

Um dispositivo conectado ao barramento, atuando como Master, e 3 dispositivos atuando como Slave, também conectados ao barramento

 

O Arduino vem com pinos próprios para a conexão I2C, no caso do Uno e derivados os pinos são sempre o 4 (SDA) e 5(SCL). No caso do Arduino Mega, os pinos utilizados são o 20 (SDA) e 21 (SCL).

SDA significa Serial Data e SCL significa Serial Clock. SDA é o pino que efetivamente transfere os dados, e SCL serve para temporização entre os dispositivos, de modo que a comunicação pela SDA possa ter confiabilidade. Como podem observar, tanto o envio quanto a recepção de dados é realizada utilizando a linha SDA, ou seja, é uma linha bi-direcional de comunicação, ora estamos enviando dados por este pino, ora estamos recebendo dados.

arduino uno i2c pin

Pinos utilizados para a comunicação I2C

Existem uma variedade enorme de dispositivos que utilizam o protocolo I2C, como o próprio Arduino, Raspberry, memórias externas (EEPROM), I/O expanders, RTC (Real Time Clock), Visor(LCD, TFT, etc), sensores diversos(temperatura, acelerometro, etc). Portanto, um hora ou outra você certamente vai se deparar com um dispositivo I2C, e saber trabalhar com o protocolo vai ser muito útil. Vários dispositivos oferecem várias interfaces de conexão, ou seja, podemos conectá-lo ao Arduino usando I2C, ou serial, ou SPI, e, depois que aprender I2C, é bem provável que esta seja sua escolha.

Alem do SDA e SCL, os dispositivos utilizam o terra(GND) e o Vcc para alimentação. Abaixo um exemplo de ligação mais real:

i2c bus arduino

Arduino e outros dispositivos atuando como Slave de um Raspberry Master.

Reparem na imagem acima o uso de resistores pull-up para as linhas SDA e SCL. Estes resistores normalmente são utilizados quando há mais de um slave no barramento, e o valor do resistor é dependente dos dispositivos. Normalmente dispositivos I2C possuem um datasheet, e nele podemos encontrar o valor adequado dos resistores pull-up. Se estiver utilizando apenas um dispositivo slave conectado ao Arduino, não se preocupe, o Arduino já vem com resistores pull-up internos especializados para a comunicação I2C.

Ainda com relação a imagem acima, a ordem que conectamos os dispositivos não importa. Podemos ligar os dispositivos como quizermos, respeitando a pinagem certa, que o resultado final será o mesmo..

A distância normal de trabalho no barramento I2C é de aproximadamente 1 metro.Alem disso podemos ter problemas de impedância, mas ai já não posso ajudar muito, se lembrem que sou um Zé Mané em eletrônica 😉 . Existem dispositivos que podem estender esta distância de trabalho até aproximadamente 50 metros, e talvez eu faça um post sobre esses dispositivos futuramente.

Bem, já sabemos como conectar os dispositivos no barramento, sabemos que podemos ter teoricamente 127 dispositivos, mas… Como saber com qual dispositivos estou falando?

I2C – Endereçamento de dispositivos

Dispositivos I2C possuem um endereço que os identifica. Esse endereço é composto normalmente por 7 bits. Se lembram do limite teórico de 127 dispositivos, pois então, com 7 bits podemos ter 127 valores diferentes 🙂 . Aqui temos um pouco de confusão, pois alem dos 7 bits que definem o endereçamento, temos ainda um ultimo bit, totalizando 8 bits, que indicam se é uma operação de leitura ou escrita (read/write). Normalmente os dispositivos vem indicando o seu endereço no formato hexadecimal, considerando 7 bits. Neste caso o Arduino, atuando como master, insere estes 7 bits no início da transmissão, ajusta adequadamente o oitavo bit, e tudo funciona muito bem.

i2c address 7 bits

Em alguns casos, o fabricante do dispositivo especifica o endereço do dispositivo utilizando o oitavo bit. Nestes casos é comum o datasheet especificar um endereço para escrita e outra para leitura. Nesta situação temos que calcular o endereço correto (7 bits), ou dar um shift em nosso sketch de modo a desconsiderar o oitavo bit.

i2c address 8 bits

Como podem ver no exemplo acima, o dispositivo X possui dois endereços( 0x92 e 0x93), sendo que o valor que realmente nos interessa é o 0x49, que é obtido desconsiderando o ultimo bit de qualquer um dos endereços anteriores.

Caso não fique claro pelo datasheet se o seu dispositivo usa 7 ou 8 bits no endereçamento, outra forma é verificar se o endereço esta na faixa de endereços I2C válidos.

i2c address range

 

Como podem ver, a faixa disponível vai de 0x08 a 0x77. Não se esqueça que é em hexadecimal, e fazendo as conversões para decimal podemos concluir que o número de dispositivos possíveis na prática é 112 😉

Bem, já sabemos como conectar os dispositivos e como nos direcionar a ele. Vamos começar a brincadeira?

I2C – Escritas e Leituras.

Todo o trabalho com dispositivos I2C se resume a uma operação de leitura ou uma operação de escrita. Em nossos sketches, independente do dispositivo, estaremos lendo alguma informação ou escrevendo alguma informação em um dispositivo especifico. Será comum encontrarmos dispositivos com alguma particularidade nas operações de escrita/leitura, mas em geral o datasheet do dispositivo fornece esses detalhes. Vamos ver como funciona a escrita e a leitura de dispositivos I2c.

Uma observação importante para trabalharmos com I2C no Arduino; temos que dar um include na biblioteca Wire. No início de qualquer sketch inclua a linha #include <Wire.h> . Após incluirmos a biblioteca, é necessário inicializá-la dentro de setup() com Wire.begin().

I2C – Escrita

A escrita em dispositivos I2C é relativamente simples. O trecho de código abaixo mostra como funciona esse processo:

 Wire.beginTransmission(endereço);
 Wire.write(memória);
 Wire.write(valor);
 Wire.endTransmission();

Wire.beginTransmission(endereço); envia o endereço do dispositivo pela linha SDA, sinalizando o dispositivo correspondente que haverá uma comunicação. Todos os dispositivos “escutam” essa informação, mas apenas o dispositivo que possui o endereço informado estará apto a se comunicar.

Wire.write(memória); A maioria possui diversos registradores que podem ser gravados, e precisamos informar em qual registrador queremos informação.

Wire.write(valor); envia o valor (sempre 1 byte) pela SDA para o dispositivo informado anteriormente. O dispositivo possui um registrador (ou memória) aguardando pela informação, e os outros dispositivos ignoram esta comunicação. O comum é enviarmos uma informação (um byte) em cada operação.

Wire.endTransmission(); Após enviarmos a informação, devemos finalizar a operação com essa linha, liberando o dispositivo e o barramento I2C para novas operações.

Não sei se notaram, mas utilizamos o mesmo comando tanto para informar ONDE queremos gravar e O QUE queremos gravar. Essa é uma fonte de confusão inicialmente, mas é relativamente simples. Tudo dependo do datasheet do dispositivo, onde, no caso acima, teríamos a instrução de que, numa operação de escrita, o primeiro byte indica a posição de memória, e o segundo byte indica o valor a ser gravado. Poderíamos muito bem ter um dispositivo com apenas um registrador para gravação, e portanto não seria necessário informar em qual posição é para o valor ser gravado

I2C – Leitura.

O processo de leitura envolve mais comandos. Normalmente o dispositivo possui diversos registradores (ou posições de memória) para armazenar diferentes informações, então temos que informar de qual registrador queremos ler informação. Ainda, lembrando que cada registrador armazena um byte, podemos especificar o número de bytes que queremos ler. Vamor ver um trecho de código:

 Wire.beginTransmission(endereço);
 Wire.write(memoria);
 Wire.endTransmission();
 Wire.requestFrom(endereço, 1);
 byte valor;
 if (Wire.available()){
 valor=Wire.read();
 }
 Wire.endTransmission();

As três primeiras linhas foram explicadas anteriormente e, basicamente, posicionam o registrador do dispositivo na posição que queremos fazer a leitura. Na sequência temos:

Wire.requestFrom(endereço, 1); Este comando informa o dispositivo identificado por endereço que queremos ler uma posição de memória(ou byte, ou registrador), a partir da posição de memória especificada anteriormente. Esta informação é posta imediatamente na linha SDA, e o dispositivo então responde informando também na SDA o valor contido no registrador. Neste exemplo estamos pedindo apenas o valor de um registrador, mas poderíamos pedir tantos quanto forem necessários. Neste caso o dispositivo iria informar sequencialmente, a partir da posição informada pelo write anterior.

Wire.available(); Este comando verifica se há informação disponível para leitura. O hardware do Arduino armazena em buffer as informações recebidas, e atualmente este buffer tem o tamanho de 32 bytes. com isso podemos fazer tranquilamente a leitura de 32 bytes sequenciais.

Wire.read(); Esta é bem simples, similar ao Serial.read. Basicamente este comando lê um byte de cada vez.

 

 Chega por hoje né?

Bem pessoal, vou ficando por aqui. Espero ter ajudado um pouco. Creio que I2C é uma daqueles casos em que a melhor teoria é a prática, então no próximo post vamos continuar vendo I2C, desta vez aplicando o que vimos aqui no módulo AT24C256.

Abs e até a próxima.

Posts relacionados:

Referências

Blog TronixStuff

Endereçamento

PDF sobre o protocolo I2C

 

12 thoughts on “I2C – Protocolo de Comunicação

  1. Alex

    Olá, Valdinei. Parabéns por esse post. Foi o melhor post sobre I2C que encontrei até o momento. Obrigado por compartilhar. Ainda não testei, mas surgiu uma dúvida: estou usando um magnetômetro I2C HMC5883L (o qual não encontro na documentação qual o endereço ele usa, nem mesmo na biblioteca), e o MMA8452, um giroscópio, e esse sim tem um endereço especificado na documentação (0x1D). Se eu colocá-los no mesmo barramento, você acredita que não terei problemas (como a queima de um dos dispositivos)?
    Agradeço se puder responder.
    Alex.

    Reply
  2. Carol

    Muito obrigada pelas informações, ajudaram muito!!

    Reply
  3. Alderson Monteiro

    Excelente Valdinei. Obrigado por compartilhar estas informações conosco.

    Reply
  4. maiara

    Por exemplo, eu poderia conectar dois sensores nas mesmas portas A0 e A1?

    Reply
    1. Valdinei Rodrigues dos Reis Post author

      Ola Maiara. É sempre um prazer ver uma mulher interessada nesta área. Bem vinda.

      Não entendi direito sua pergunta, isso por que faz referência aos pinos A0 e A1.
      As portas utilizadas pelo I2C são a A4(SDA) e A5(SCL), nestas portas você pode sim conectar dois ou mais dispositivos, desde que os endereços não conflitem. No caso do AT24C256, eu poderia configurar um com endereço 0x50 e outro com endereço 0x51, e utilizar os dois sem problema no I2C.

      Fique a vontade para perguntar. Abs.

      Reply
  5. JOSÉ ELIAS

    Muito bem explicado. Um dos melhores que li até o momento.
    Estou tentando conectar um lcd e um ds1307 por i2c. Quando ligo o ds funciona. Quando ligo o lcd também funciona. Se ligo os dois, só detecta o lcd.

    Reply
    1. Valdinei Rodrigues dos Reis Post author

      Ola José.
      Quer me enviar o esquema de ligação e o código? Será um prazer tentar ajudar.
      Precisa ver no datasheet dos dispositivos se é necessário utilizar resistores pull-up.

      No aguardo, abs.

      Reply
  6. Rogério Leite

    Olá!
    Excelente post.
    Gostaria de saber o que define um slave de um master. Se usamos dois ou mais dispositivos, é preciso informar isso ao programa?
    Obrigado!

    Reply
    1. Valdinei Rodrigues dos Reis Post author

      Ola Rogério. Obrigado pela visita.

      Em setup nós declaramos um Arduino como master apenas inicializando a bliblioteca com Wire.begin().
      Já em um slave inicializamos a biblioteca informando o endereço I2C do dispositivo, além de criar eventos próprios para as chamadas do master.

      Fique de olho que estou para publicar um post com master e slave.
      Abs colega.

      Reply
  7. Amanda

    Olá!
    Possuo cinco sensores MPU6050 aceleômetro e giroscópio, e preciso comunicá-los ao arduino ou raspberry.
    Já fiz a ligação de apenas um sensor por vez, e gostaria de ajuda para conseguir conectar os cinco, para ler a informação de todos ao mesmo tempo.
    Será necessário o uso de um multiplexador?

    Aguardo resposta,
    desde já agradeço

    Reply
    1. Valdinei Rodrigues dos Reis Post author

      Ola Amanda. Muito bem vinda. Ahhh mas como eu curto mulheres que curtem eletrônica. Parabéns!

      Pois então, você vai ter um pouco de trabalho. De acordo com um material no próprio site do Arduino(http://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050), este módulo possui dois endereços I2C(68 e 69), conforme tensão aplicada no pino ADO. Com essa informação nativamente você poderia ter somente dois destes módulos no seu barramento I2C.

      Uma possibilidade seria utilizar um multiplexador realmente.

      Outra possibilidade é você utilizar a solução proposta no link acima, conectar cada ADO a diferentes portas do Arduino, deixando todos com endereço 0x69. Para ler cada um dos módulos, bastaria alterar o valor de saida(0 ou 1) do módulo desejado, e fazer a chamado I2C no endereço 0x68. Após, volte o pino para o valor anterior. Me parece que o pino ADO trabalha com 3.3v, então vai ter que utilizar um divisor de voltagem nos pinos de saída do Arduino.

      Eu não conhecia, e achei bem interessante a solução(gambiarra) proposta.

      Sobre o que é o seu projeto?

      Abs.

      Reply

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