في الأجهزة المنزلية الحديثة والإلكترونيات الصناعية ومعدات الاتصالات السلكية واللاسلكية المختلفة ، غالبًا ما يمكن العثور على حلول مماثلة ، على الرغم من أن المنتجات قد تكون غير مرتبطة عمليًا. على سبيل المثال ، يتضمن كل نظام تقريبًا ما يلي:
- وحدة تحكم "ذكية" معينة ، والتي تكون في الغالبية العظمى من الحالات عبارة عن كمبيوتر صغير ذي شريحة واحدة ؛
- مكونات للأغراض العامة مثل المخازن المؤقتة لشاشات الكريستال السائل أو ذاكرة الوصول العشوائي أو منافذ الإدخال / الإخراج أو EEPROM أو محولات البيانات المخصصة ؛
- مكونات محددة بما في ذلك الموالفة الرقمية ودوائر معالجة الإشارات لأنظمة الفيديو والراديو.
كيفية تحسين تطبيقاتهم؟
لتحقيق أقصى استفادة من هذه الحلول الشائعة لصالح المصممين والمصنعين ، وكذلك لتحسين الأداء العام لمختلف الأجهزة وتبسيط مكونات الدوائر المطبقة ، شرعت Philips في تطوير أبسط ثنائي الاتجاه ثنائي الاتجاه الحافلة التي توفر الأكثر إنتاجية بين الشرائحمراقبة. يوفر هذا الناقل نقل البيانات عبر واجهة I2C.
اليوم ، تشتمل مجموعة منتجات الشركة المصنعة على أكثر من 150 CMOS ، بالإضافة إلى أجهزة ثنائية القطب متوافقة مع I2C ومصممة للعمل في أي من الفئات المدرجة. وتجدر الإشارة إلى أن واجهة I2C مدمجة مبدئيًا في جميع الأجهزة المتوافقة ، ومن ثم يمكنهم التواصل بسهولة مع بعضهم البعض باستخدام ناقل خاص. نظرًا لاستخدام حل التصميم هذا ، كان من الممكن حل عدد كبير إلى حد ما من مشاكل الربط بين المعدات المختلفة ، وهو أمر نموذجي تمامًا لتطوير الأنظمة الرقمية.
الفوائد الرئيسية
حتى إذا نظرت إلى وصف موجز لواجهات UART و SPI و I2C ، يمكنك إبراز المزايا التالية للأخير:
- للعمل ، تحتاج فقط إلى سطرين - التزامن والبيانات. يمكن بعد ذلك توجيه أي جهاز يتصل بمثل هذا الناقل برمجيًا إلى عنوان فريد تمامًا. في أي وقت ، هناك علاقة بسيطة تسمح للماجستير بالعمل كمرسل رئيسي أو مستقبل رئيسي.
- يوفر هذا الناقل القدرة على الحصول على العديد من الأساتذة في وقت واحد ، مما يوفر جميع الوسائل اللازمة لتحديد التصادمات ، بالإضافة إلى التحكيم لمنع تلف البيانات في حالة بدء اثنين أو أكثر من الماجستير في نقل المعلومات في وقت واحد. في الوضع القياسييتم توفير نقل البيانات التسلسلي 8 بت فقط بسرعة لا تزيد عن 100 كيلوبت في الثانية ، وفي الوضع السريع يمكن زيادة هذه العتبة أربع مرات.
- تستخدم الرقائق مرشحًا داخليًا خاصًا يمنع بشكل فعال الزيادات ويضمن أقصى تكامل للبيانات.
- الحد الأقصى لعدد الشرائح التي يمكن توصيلها بحافلة واحدة محدود فقط بسعة قصوى ممكنة تبلغ 400 pF.
فوائد للبناة
يمكن لواجهة I2C ، بالإضافة إلى جميع الرقائق المتوافقة ، تسريع عملية التطوير بشكل كبير ، من الرسم التخطيطي الوظيفي إلى النموذج الأولي النهائي. في الوقت نفسه ، تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لإمكانية توصيل هذه الدوائر الصغيرة مباشرة بالحافلة دون استخدام جميع أنواع الدوائر الإضافية ، يتم توفير مساحة لمزيد من التحديث والتعديل لنظام النموذج الأولي عن طريق فصل الأجهزة المختلفة وتوصيلها من
هناك العديد من الفوائد التي تجعل واجهة I2C بارزة. يسمح لك الوصف ، على وجه الخصوص ، بمشاهدة المزايا التالية للمُنشئين:
- تتوافق الكتل الموجودة على الرسم البياني الوظيفي تمامًا مع الدوائر الدقيقة ، وفي الوقت نفسه ، يتم توفير انتقال سريع إلى حد ما من الوظيفية إلى الأساسية.
- ليست هناك حاجة لتطوير واجهات الناقل لأن الحافلة مدمجة أصلاً في شرائح مخصصة.
- بروتوكولات الاتصال المتكاملة ويسمح عنونة الجهاز بأن يكون النظام محددًا تمامًا بالبرمجيات.
- يمكن استخدام نفس أنواع الدوائر الدقيقة ، إذا لزم الأمر ، في تطبيقات مختلفة تمامًا.
- تم تقليل إجمالي وقت التطوير بشكل كبير نظرًا لحقيقة أن المصممين يمكن أن يتعرفوا بسرعة على الكتل الوظيفية الأكثر استخدامًا ، بالإضافة إلى الدوائر الدقيقة المختلفة.
- إذا رغبت في ذلك ، يمكنك إضافة أو إزالة الرقائق من النظام ، وفي نفس الوقت لا يكون لها تأثير كبير على المعدات الأخرى المتصلة بنفس الناقل.
- يمكن تقليل الوقت الإجمالي لتطوير البرامج بشكل كبير من خلال السماح بمكتبة من وحدات البرامج القابلة لإعادة الاستخدام.
من بين أشياء أخرى ، تجدر الإشارة إلى الإجراء البسيط للغاية لتشخيص حالات الفشل التي حدثت والمزيد من التصحيح ، والذي يميز واجهة I2C. يشير الوصف إلى أنه ، إذا لزم الأمر ، يمكن مراقبة حتى الانحرافات الطفيفة في تشغيل هذه المعدات على الفور دون أي صعوبة ، وبالتالي ، يمكن اتخاذ التدابير المناسبة. ومن الجدير بالذكر أيضًا أن المصممين يحصلون على حلول خاصة ، والتي ، على وجه الخصوص ، جذابة للغاية لمختلف المعدات والأنظمة المحمولة التي توفر طاقة البطارية باستخدام واجهة I2C. يشير الوصف باللغة الروسية أيضًا إلى أن استخدامه يتيح لك توفير المزايا المهمة التالية:
- درجة عالية بما يكفي من المقاومة لأي تدخل ناشئ.
- في النهايةاستهلاك منخفض للطاقة.
- أوسع نطاق لجهد الإمداد.
- نطاق واسع لدرجة الحرارة.
فوائد للتقنيين
تجدر الإشارة إلى أنه ليس فقط المصممين ، ولكن أيضًا التقنيين بدأوا مؤخرًا في استخدام واجهة I2C المتخصصة في كثير من الأحيان. يشير الوصف باللغة الروسية إلى مجموعة واسعة إلى حد ما من المزايا التي توفرها هذه الفئة من المتخصصين:
- يعمل ناقل تسلسلي قياسي ثنائي الأسلاك مع هذه الواجهة على تقليل الترابط بين الدوائر المتكاملة ، مما يعني وجود عدد أقل من المسامير وعدد أقل من المسارات المطلوبة ، مما يجعل ثنائي الفينيل متعدد الكلور أقل تكلفة وأصغر بكثير.
- واجهة I2C متكاملة تمامًا LCD1602 أو بعض الخيارات الأخرى تلغي تمامًا الحاجة إلى مفكك تشفير العناوين والمنطق الخارجي الصغير الآخر.
- من الممكن استخدام العديد من الأساتذة في مثل هذه الحافلة في نفس الوقت ، مما يسرع بشكل كبير من الاختبار وإعداد المعدات اللاحقة ، حيث يمكن توصيل الحافلة بكمبيوتر خط التجميع.
- يمكن أن يؤدي توفر الدوائر المتكاملة المتوافقة مع هذه الواجهة في حزم VSO و SO و DIL المخصصة إلى تقليل متطلبات حجم الجهاز بشكل كبير.
هذه مجرد قائمة قصيرة من المزايا التي تميز واجهة I2C لشاشة LCD1602 وغيرها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للرقائق المتوافقة أن تزيد بشكل كبير من مرونة النظام المستخدمتصميم بسيط للغاية لخيارات المعدات المختلفة ، بالإضافة إلى ترقيات سهلة نسبيًا لدعم التطوير بشكل أكبر على المستوى الحالي. وبالتالي ، من الممكن تطوير مجموعة كاملة من المعدات المختلفة ، باستخدام نموذج أساسي معين كأساس.
يمكن إجراء مزيد من التحديث للمعدات وتوسيع وظائفها عن طريق اتصال قياسي بحافلة الدائرة المصغرة المقابلة باستخدام واجهة Arduino 2C أو أي واجهة أخرى من القائمة المتاحة. إذا كانت هناك حاجة إلى ذاكرة ROM أكبر ، فسيكون ذلك كافيًا فقط لتحديد متحكم آخر مع زيادة ROM. نظرًا لأن الرقائق المحدثة يمكن أن تحل محل القديمة تمامًا إذا لزم الأمر ، يمكنك بسهولة إضافة ميزات جديدة إلى المعدات أو زيادة أدائها العام ببساطة عن طريق فصل الرقائق القديمة ثم استبدالها بأحدث المعدات.
ACCESS.bus
نظرًا لحقيقة أن الحافلة لها طبيعة ثنائية الأسلاك ، بالإضافة إلى إمكانية معالجة البرنامج ، فإن واجهة I2C هي واحدة من أكثر المنصات مثالية لـ ACCESS.bus. المواصفات (الوصف باللغة الروسية معروضة في المقالة) لهذا الجهاز تجعله بديلاً أرخص بكثير لواجهة RS-232C المستخدمة سابقًا لتوصيل الأجهزة الطرفية المختلفة بأجهزة الكمبيوتر باستخدام موصل قياسي ذي أربعة سنون.
مقدمة المواصفات
للتطبيقات الحديثةتحكم 8 بت ، والذي يستخدم ميكروكنترولر ، من الممكن تعيين بعض معايير التصميم:
- يشتمل النظام الكامل في الغالب على متحكم واحد وأجهزة طرفية أخرى ، بما في ذلك الذاكرة ومنافذ الإدخال / الإخراج المختلفة ؛
- يجب تقليل التكلفة الإجمالية للجمع بين الأجهزة المختلفة في نظام واحد قدر الإمكان ؛
- لا يوفر النظام الذي يتحكم في الوظائف الحاجة إلى توفير نقل معلومات عالي السرعة ؛
- الكفاءة الكلية تعتمد بشكل مباشر على المعدات المختارة بالإضافة إلى طبيعة ناقل التوصيل
لتصميم نظام يلبي تمامًا المعايير المذكورة ، تحتاج إلى استخدام ناقل يستخدم الواجهة التسلسلية I2C. على الرغم من أن الناقل التسلسلي لا يحتوي على عرض النطاق الترددي للناقل المتوازي ، إلا أنه يتطلب اتصالات أقل وعدد أقل من دبابيس الشريحة. في الوقت نفسه ، لا تنس أن الحافلة لا تتضمن فقط توصيل الأسلاك ، بل تشمل أيضًا الإجراءات والصيغ المختلفة اللازمة لضمان الاتصال داخل النظام.
يجب أن تحتوي الأجهزة التي تتواصل باستخدام محاكاة البرامج لواجهة I2C أو الناقل المقابل على بروتوكول محدد يسمح لك بمنع الاحتمالات المختلفة للتصادم أو فقدان المعلومات أو حظرها. يجب أن تكون الأجهزة السريعة قادرة على الاتصال بالأجهزة البطيئة ، ويجب ألا يعتمد النظام عليهامن الجهاز المتصل به ، وإلا فلن يمكن استخدام جميع التحسينات والتعديلات. من الضروري أيضًا تطوير إجراء يمكن من خلاله تحديد أي جهاز معين يوفر حاليًا التحكم في الحافلة وفي أي وقت. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم توصيل أجهزة مختلفة ذات ترددات مختلفة على مدار الساعة بالحافلة نفسها ، فستحتاج إلى تحديد مصدر مزامنتها. يتم استيفاء جميع هذه المعايير بواسطة واجهة I2C لـ AVR وأي معايير أخرى من هذه القائمة.
المفهوم الرئيسي
يمكن أن يدعم ناقل I2C أي تقنية رقاقة مستخدمة. توفر واجهة I2C LabVIEW وما شابهها استخدام سطرين لنقل المعلومات - البيانات والمزامنة. يتم التعرف على أي جهاز متصل بهذه الطريقة من خلال عنوانه الفريد ، بغض النظر عما إذا كان مخزنًا لشاشات الكريستال السائل أو متحكمًا دقيقًا أو ذاكرة أو واجهة لوحة مفاتيح ، ويمكن أن يعمل كجهاز استقبال أو جهاز إرسال ، اعتمادًا على الغرض المخصص لهذا الجهاز.
في الغالبية العظمى من الحالات ، يكون المخزن المؤقت لشاشات الكريستال السائل هو جهاز استقبال قياسي ، ولا يمكن للذاكرة تلقي بيانات مختلفة فحسب ، بل يمكنها أيضًا نقلها. من بين أشياء أخرى ، وفقًا لعملية نقل المعلومات ، يمكن تصنيف الأجهزة على أنها تابعة و رئيسية.
في هذه الحالة ، يكون الجهاز الرئيسي هو الجهاز الذي يبدأ نقل البيانات ، ويقوم أيضًا بإنشاءإشارات التزامن. في هذه الحالة ، سيتم اعتبار أي أجهزة قابلة للعنونة عبيدًا بالنسبة لها.
توفر واجهة الاتصال I2C وجود العديد من الأساتذة في وقت واحد ، أي أن أكثر من جهاز قادر على التحكم في الناقل قادر على الاتصال به. تعني القدرة على استخدام أكثر من متحكم واحد في نفس الناقل أنه يمكن إعادة توجيه أكثر من سيد واحد في أي وقت. للقضاء على الفوضى المحتملة التي قد تظهر عند ظهور مثل هذه الحالة ، تم تطوير إجراء تحكيم متخصص يستخدم واجهة I2C. توفر الموسعات والأجهزة الأخرى توصيل الأجهزة بالحافلة وفقًا لما يسمى بقاعدة الأسلاك.
يعتبر توليد إشارة الساعة من مسؤولية السيد ، ويولد كل سيد إشارة خاصة به أثناء نقل البيانات ، ولا يمكن تغييرها إلا لاحقًا إذا تم "سحبها" من قبل عبد بطيء أو سيد آخر عند حدوث تصادم
المعلمات العامة
كلا من SCL و SDA عبارة عن خطوط ثنائية الاتجاه تتصل بمصدر طاقة موجب بمقاوم سحب. عندما يكون الإطار مجانيًا تمامًا ، يكون كل سطر في موضع مرتفع. يجب أن تكون مراحل إخراج الأجهزة المتصلة بالناقل مفتوحة التصريف أو جامع مفتوح حتى يمكن توفير وظيفة AND السلكية. يمكن نقل المعلومات من خلال واجهة I2C بسرعة لا تزيد عن 400 كيلوبت في الثانيةالوضع السريع ، بينما السرعة القياسية لا تتجاوز 100 كيلوبت في الثانية. يعتمد العدد الإجمالي للأجهزة التي يمكن توصيلها في وقت واحد بالناقل على معلمة واحدة فقط. هذه هي السعة الخطية التي لا تزيد عن 400 pf.
تأكيد
التأكيد هو إجراء إلزامي في عملية نقل البيانات. يولد السيد نبضة المزامنة المناسبة أثناء قيام جهاز الإرسال بتحرير خط SDA أثناء نبضة المزامنة هذه كإقرار. بعد ذلك ، يجب أن يتأكد جهاز الاستقبال من أن خط SDA يظل مستقرًا أثناء حالة الساعة العالية في حالة منخفضة مستقرة. في هذه الحالة ، تأكد من أخذ أوقات الإعداد في الاعتبار.
في الغالبية العظمى من الحالات ، من الضروري أن يقوم المستلم الموجه بإنشاء إقرار بعد تلقي كل بايت ، مع الاستثناء الوحيد عندما يتضمن بدء الإرسال عنوان CBUS.
إذا لم يكن لدى المستلم التابع أي طريقة لإرسال تأكيد لعنوانه ، فيجب ترك خط البيانات عالياً ، وبعد ذلك سيتمكن السيد من إصدار إشارة "Stop" ، والتي ستقطع إرسال كل المعلومات. إذا تم تأكيد العنوان ، لكن العبد لا يمكنه تلقي المزيد من البيانات لفترة طويلة ، يجب على السيد أيضًا مقاطعة الإرسال. للقيام بذلك ، لا يتعرف العبد على البايت التالي المستلم ويترك السطر ببساطةعالية ، مما تسبب في قيام السيد بإنشاء إشارة توقف.
إذا كان إجراء النقل ينص على وجود جهاز استقبال رئيسي ، فيجب في هذه الحالة إبلاغ العبد بنهاية الإرسال ، ويتم ذلك من خلال عدم الاعتراف بآخر بايت تم استلامه. في هذه الحالة ، يقوم المرسل التابع على الفور بتحرير خط البيانات بحيث يمكن للسيد إصدار إشارة "Stop" أو إعادة إشارة "Start" مرة أخرى.
للتحقق مما إذا كان الجهاز يعمل ، يمكنك محاولة إدخال أمثلة قياسية للرسومات لواجهة I2C في Arduino ، كما في الصورة أعلاه.
التحكيم
يمكن للماجستير البدء في إرسال المعلومات فقط بعد أن تكون الحافلة مجانية تمامًا ، ولكن يمكن لاثنين أو أكثر من الأساتذة إنشاء إشارة بدء في أقل وقت انتظار. ينتج عن هذا في النهاية إشارة "Start" محددة على الحافلة.
التحكيم يعمل على حافلة SDA بينما حافلة SCL عالية. إذا بدأ أحد السادة في إرسال مستوى منخفض على خط البيانات ، ولكن في نفس الوقت يكون المستوى الآخر مرتفعًا ، فسيتم فصل الأخير تمامًا عنه ، لأن حالة SDL لا تتوافق مع الحالة العالية لخطها الداخلي
قد يستمر التحكيم على عدة أجزاء. نظرًا لحقيقة أن العنوان يتم إرساله أولاً ، ثم البيانات ، يمكن أن يستمر التحكيم حتى نهاية العنوان ، وإذا كان المعلمون سيتحدثوننفس الجهاز ، ثم ستشارك أيضًا في التحكيم بيانات مختلفة. بسبب مخطط التحكيم هذا ، لن يتم فقد أي بيانات في حالة حدوث أي تضارب.
إذا فقد السيد التحكيم ، فيمكنه إصدار نبضات على مدار الساعة في SCL حتى نهاية البايت ، والتي تم خلالها فقد الوصول.
