Objectifs du COURS

Ce cours traitera essentiellement les points suivants :

• le bus I2C
• protocole
• en-tête
• exemples avec le circuit Dallas DS1307 (RTC)
• compléments

Introduction

Les normes I2C (Inter-Integrated Circuit) et SPI (Serial Peripheral Interface) ont été créées pour fournir un moyen simple de transférer des informations numériques entre des capteurs et des microcontrôleurs.

Les bibliothèques Arduino pour I2C et SPI facilitent l’utilisation de ces deux protocoles. Le choix entre I2C et SPI est en général déterminé par les périphériques que l’on souhaite connecter. Certains appareils offrent les deux standards, mais habituellement un périphérique ou une puce ne supporte qu’une seule des deux normes.

I2C à l’avantage de n’avoir besoin que de deux connexions de signalisation (l’emploi de plusieurs périphériques sur les deux connexions est assez simple et on reçoit une confirmation que les signaux ont été correctement reçus). L’inconvénient est que la vitesse des données est inférieure à celle de SPI et qu’elles ne peuvent voyager que dans un seul sens à la fois (Simplex), ce qui abaisse encore plus le débit si des communications bidirectionnelles sont nécessaires (Half Duplex). Il faut aussi connecter des résistances « pull-up » aux connexions pour s’assurer de la fiabilité de la transmission des signaux.

L’avantage de SPI est qu’il a un meilleur débit et qu’il a des connexions d’entrée et de sorties séparées, si bien qu’il peut envoyer et recevoir en même temps (Full Duplex). Il utilise une ligne supplémentaire par appareil pour sélectionner le périphérique actif et il faut donc plus de connexions si on a de nombreux appareils à connecter.

Le BUS I2C

Les deux connexions du bus I2C se nomment SCL (Serial Clock Line) et SDA (Serial Data line). Elles sont disponibles sur une carte standard Arduino en employant la broche analogique 5 pour SCL qui fournit un signal d’horloge, et la broche analogique 4 pour SDA, qui s’occupe du transfert des données (sur la Mega, il faut utiliser la broche 20 pour SDA et la broche 21 pour SCL). La carte Uno rev 3 a des broches supplémentaires qui dupliquent les broches 4 et 5.

Pour le Raspberry Pi type B, il s’agit respectivement des broches GPIO2 et GPIO3 pour SDA et SCL repérées sur le « Pi Cobbler ». Un périphérique sur le bus I2C est considéré comme le périphérique maître. Son travail consiste à coordonner le transfert des informations entre les autres périphériques (esclaves) qui sont connectés. Il ne doit y avoir qu’un seul maître qui contrôle les autres composants auxquels il est connecté. La figure ci-dessous montre un maître I2C avec plusieurs esclaves I2C.

Les périphériques I2C ont besoin d’une masse commune pour communiquer. Les périphériques esclaves sont identifiés par leur numéro d’adresse. Chaque esclave doit avoir une adresse unique. Certains appareils I2C ont une adresse fixe alors que d’autres permettent que l’on configure leur adresse en définissant les broches à HIGH ou LOW ou en envoyant des commandes d’initialisation.

Remarque

L’Arduino utilise des valeurs sur 7 bits pour spécifier les adresses I2C. Certaines notices techniques de périphériques emploient des adresses sur 8 bits, dans ce cas il faut diviser par deux pour obtenir la valeur correcte sur 7 bits. La bibliothèque Arduino Wire masque toutes les fonctionnalités de bas niveau du I2C et permet l’emploi de commandes simples pour initialiser les appareils et communiquer avec eux.

Le bus I2C permet d’échanger des informations sous forme série avec un débit pouvant atteindre 100 kilobits/s ou 400 kilobits/s pour les versions les plus récentes. Ses points forts sont les suivants :

• c’est un bus série bifilaire utilisant une ligne de donnée SDA et une ligne d’horloge SCL ;
• le bus est multi maîtres ;
• chaque abonné dispose d’une adresse codée sur 7 bits, on peut donc connecter simultanément 128 abonnés d’adresses différentes sur le même bus (sous réserve de ne pas le surcharger électriquement = la charge) ;
• un acquittement est généré pour chaque octet de donnée transféré ;
• un procédé permet de ralentir l’équipement le plus rapide pour s’adapter à la vitesse de l’équipement le plus lent lors d’un transfert ;
• le nombre maximal d’abonné n’est limité que par la charge capacitive maximale du bus qui peut être de 400 pF ;
• les niveaux électriques permettent l’utilisation des circuits en technologies CMOS, NMOS ou TTL.

Protocole

La figure ci-dessous montre le principe adopté au niveau des étages d’entrées/sorties des circuits d’interfaces du bus I2C.

La partie entrée n’appelle aucune remarque particulière, en revanche la partie sortie fait appel à une configuration à drain ouvert (l’équivalent en MOS du classique collecteur ouvert) et qui permet de réaliser des ET câblés par simple connexion sur la ligne SDA ou SCL, des sorties de tous les circuits.

Aucune charge n’étant prévue dans ces derniers, une résistance de rappel (pull-up) à une tension positive doit être mise en place. Étant entendu que nous travaillons en logique positive, c’est-à-dire qu’un niveau haut correspond à une tension plus élevée qu’un niveau bas. Lorsqu’aucun abonné n’émet sur le bus, les lignes SDA et SCL sont au niveau haut qui est leur état de repos. Quand une ligne (SDA ou SCL) est au repos (niveau 1), on peut la forcer à 0. Quand une ligne (SDA ou SCL) est au niveau 0, on ne peut pas la forcer à 1.

Dans l’exemple ci-dessus, l’horloge SCL est au niveau 0 car c’est le PIC 16F876A (maître) qui force cette ligne à 0.

Remarque

Le DS1307 (module RTC : Real Time Clock) fonctionne toujours en esclave : ce n’est donc jamais lui qui agit sur l’état de l’horloge (SCL).

Le chronogramme ci-dessus résume le principe fondamental d’un transfert de données : Une donnée n’est considérée comme valide sur le bus que lorsque le signal SCL est à l’état haut. L’émetteur doit donc positionner la donnée à émettre lorsque SCL est à l’état bas et la maintenir tant que SCL est à l’état haut.

Comme la transmission s’effectue sous forme série, une information de début et de fin doit être prévue. L’information de début se nomme START et l’information de fin STOP. Une condition de départ est réalisée lorsque la ligne SDA passe du niveau haut au niveau bas alors que SCL est au niveau haut. Réciproquement, une condition d’arrêt est réalisée lorsque SDA passe du niveau bas au niveau haut alors que SCL est au niveau haut.

Les données sont envoyées par paquets de huit bits (ou octets). Le bit de poids fort est envoyé le premier, chaque octet est suivi par un bit d’acquittement (ACK) de la part du destinataire. Le processus fonctionne de la façon ci-dessous.

La ligne SCL est pilotée par l’initiateur de l’échange ou maître. Le chronogramme ci-dessus montre d’abord une condition de départ, généré par le maître du bus à cet instant. Elle est suivie par le premier octet de données, poids fort en tête. Après le huitième bit, l’émetteur qui est aussi le maître dans ce cas met sa ligne SDA au niveau haut, c’est-à-dire au repos mais continue à générer l’horloge sur SCL.

Pour acquérir l’octet, le récepteur doit alors forcer la ligne SDA au niveau bas pendant l’état haut de SCL qui correspond à cet acquittement, prenant en quelque sorte la place d’un neuvième bit. Le processus peut alors continuer avec l’octet suivant et se répéter autant de fois que nécessaire pour réaliser un échange d’informations complexes. Lorsque cet échange est terminé, le maître génère une condition d’arrêt.

En-tête

La figure page suivante montre le contenu du premier octet qui est toujours présent en début d’échange. Ses sept bits de poids forts contiennent l’adresse du destinataire, ce qui autorise 128 combinaisons différentes. Le bit de poids faible indique si le maître va réaliser une lecture ou une écriture. Si ce bit est à zéro, le maître va écrire dans l’esclave ou lui envoyer des données. Si ce bit est à un, le maître va recevoir des données de l’esclave.

Lorsqu’un maître désire effectuer plusieurs échanges à destination d’esclaves d’adresses différentes, il n’est pas obligé de terminer le premier échange par une condition d’arrêt mais peut les enchaîner en générant une condition de départ dès la fin d’un échange.

Exemple avec l’esclave DS1307

Le circuit Dallas DS1307 est une horloge temps réel (Real Time Clock), qui fournit secondes, minutes, heures, jours, dates, mois et années. Les années bissextiles sont prises en compte (jusqu’en 2100). Le DS1307 travaille dans le mode standard (fréquence d’horloge de 100 kHz). L’adresse I2C (7 bits) du DS1307 est : 1101000 (adresse fixée par le constructeur et non modifiable).

Exemple d’écriture du DS1307

L’émetteur est le maître et le récepteur est l’esclave. Le registre d’adresse 04h du DS1307 contient la date (voir datasheet du DS1307). Pour régler le calendrier au 27 du mois, il faut écrire la donnée 27 (en code BCD) dans le registre d’adresse 04h du DS1307. Le bus I2C utilise le protocole suivant :

1) Pour initier le dialogue, le maître crée une condition Start.
2) Le maître envoie l’adresse de l’esclave (1101000) suivi du bit 0 (bit Write).
3) L’esclave répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
4) Le maître envoie l’adresse du registre (04h) à écrire.
5) L’esclave répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
6) Le maître envoie la donnée (27) à écrire.
7) L’esclave écrit la donnée puis envoie un accusé de réception (bit ACKnowledge).
8) Le maître termine le dialogue avec une condition Stop.

Le bus I2C est maintenant libre (SCL = 1, SDA = 1 = niveaux de repos).

Exemple de lecture du DS1307

L’émetteur est l’esclave et le récepteur est le maître. Les registres d’adresses 00h à 06h du DS1307 contiennent respectivement les secondes, minutes, heures, jours, dates, mois et années (voir datasheet du DS1307). Voici comment lire, d’une seule traite, le contenu des registres d’adresses 00h à 06h du DS1307 :

Chronogramme complet de l’échange sur bus I2C avec l’esclave DS1307

1) Pour initier le dialogue, le maître crée une condition Start.
2) Le maître envoie l’adresse de l’esclave (1101000) suivi du bit 1 (bit Write).
3) L’esclave répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
4) Le maître envoie l’adresse du registre (0x00) à lire.
5) L’esclave répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
6) Le maître émet une condition Repeated Start.
7) Le maître envoie l’adresse de l’esclave (1101000) suivi du bit 1 (bit Read).
8) L’esclave répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
9) L’esclave envoie le contenu du registre d’adresse 0x00 au maître.
10) Le maître répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
11) L’esclave envoie le contenu du registre d’adresse 0x01 (automatiquement incrémenté) au
maître.
12) Le maître répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
13) L’esclave envoie le contenu du registre d’adresse 0x02 (automatiquement incrémenté) au
maître.
14) Le maître répond (accusé de réception : bit ACKnowledge).
……
……
21) L’esclave envoie le contenu du registre d’adresse 0x06 (automatiquement incrémenté) au
maître.
22) Le maître répond (accusé de réception : bit Not ACKnowledge).
23) Le maître termine le dialogue avec une condition Stop.
Le bus I2C est maintenant libre (SCL = 1, SDA = 1 = niveaux de repos).

• Fichier PDF: Transmission série : le bus I2C

Exemple de programme en C Pour μC de type PIC16F

Le bus I2C

L’utilisation d’un bus I2C, aussi appelé liaison I2C, pour dialoguer entre composants, réduit le nombre de lignes et permet l’échange de données entre plusieurs composants de type maître et esclave. Ce que ne permet pas la liaison série.  Le bus I2C a été créé par Philips. Il est nécessaire de placer deux résistances de l’ordre de 3,3kΩ sur chaque ligne en rappel au +Vcc.

Généralités

L’objet de ce document est de donner des exemples de programmation en C pour la série des pic16Fx. Le langage est le C de XC8.  Seul le mode mono-maître sera vu ici. Cela concerne donc le dialogue entre un PIC en maître et plusieurs esclaves dont certains peuvent être des PICs.  La vitesse est de 100kHz en mode standard (slow) et 400kHz en mode rapide (fast).

Composants I2C

Les composants I2C disponibles possèdent leur propre adresse. Il est possible de mettre plusieurs composants identiques sur le même bus, voir en fonction des composants.

Remarques : Un PIC en esclave

Lorsqu’un PIC est utilisé en esclave, il est plus simple d’utiliser les interruptions pour le dialogue I2C.

Commandes I2C

void I2C_Init(void) {  // paramétrage des registres MSSP en mode I2C TRISBbits.TRISB1 = 1; // RB1 en entrée ?SDA TRISBbits.TRISB4 = 1; // RB4 en entrée ?SCL SSPCON1 = 0x28; // Valide le mode I2C SSPCON2 = 0; SSPADD = 79; // 100kHz SSPSTAT = 0xC0; // Slew rate disable }

void I2C_Idle(void)
{         // Attendre que le bus I2C soit libre pour un nouveau dialogue synchrone
        while ((SSPCON2 & 0xF) || (SSPSTATbits.R_nW))
}
void I2C_Start(uint8_t stype)
{
        I2C_Idel(); // Attendre que le bus I2C soit libre
        SSPCON2bits.SEN = 1; // Start I2C transmission
        while (SSPCON2bits.SEN); // Attend la fin de l’émission du start
}

void I2C_Stop(void)
{
        SSPCON2bits.PEN = 1; // Stop I2C transmission
        while (SSPCON2bits.PEN);
}

void I2C_Write(uint8_t data)
{         // Envoie d’une information vers le bus I2C.
        SSPBUF = data;
        while (SSPSTATbits.BF); // Attend que le cycle d’écriture soit fini
        I2C_Idle();
}
Uint8_t I2C_Read(void)
{         // Réceptionne d’une information sur le bus I2C.
        I2C_Idle();
        SSPCON2bits.RCEN = 1; // Valide le maitre en mode réception
        while (!SSPSTATbits.BF); // Attend que le buffer soit plein
        return (SSPBUF) ;
}
 

PCF8574(A) : extension pour 8 entrées-sorties parallèles

Généralités

Le circuit PCF8574 est un composant CMOS qui permet le pilotage de 8 entrées ou sorties par le bus I2C.

Adressage

Adresse du composant PCF8574 : 0x40 en écriture et 0x41 en lecture, avec les trois lignes d’adresse A2, A1, et A0 à 0. Pour le PCF8574A : 0x70 en écriture et 0x71 en lecture, avec A2, A1, et A0 à 0.

Exemple de programme pour PIC 16F

I2C_Start(); // Démarre un dialogue I2C
I2C_Write(0x41); // Adresse du PCF 8574 en lecture
data = I2C_Read() & 0x01; // Lecture le contenu du composant et sélection P0
I2C_Stop(); // Fin du dialogue I2C
I2C_Start();
I2C_Write(0x40); // Adresse du PCF 8574 en écriture
if (data == 0x01) // Si la ligne P0 est au niveau 1
        I2C_Write(0x81); // Mettre P7 à 1 et mettre P0 à 1
else
        I2C_Write(0x01); // Mettre P7 = 0
I2C_Stop();

Remarques

particularités des lignes du composant PCF8574(A) Le port d’Entrée/ Sortie est un port quasi-bidirectionnel ne possède qu’un registre d’écriture et de lecture. Lorsque l’on veut utiliser une broche en entrée, on commence par y écrire un « 1 » logique. Ensuite on lit le port complet et on réalise un masque pour isoler la ligne. En sortie, il est conseillé d’utiliser le principe des sorties en collecteur ouvert. En entrée, la ligne possède une résistance de rappel au niveau haut.

PCF8591 : convertisseur AN et NA

Généralités

Le circuit PCF8574 est un composant CMOS convertisseur AN et NA possédant 4 entrées analogiques et une sortie analogique configurables par le bus I2C.

Adressage

Adresse du composant PCF8591 : 0x90 en écriture et 0x91 en lecture, avec les trois lignes d’adresse A2, A1, et A0 à 0.

Registre de contrôle

• Le bit 6 valide le convertisseur numérique analogique.
• Les bits 4 et 5 sélectionnent la configuration des entrées.
• Le bit 2 valide l’auto incrémentation du numéro des entrées analogiques afin que la lecture des entrées se fasse en continu, sans avoir besoin de choisir une entrée.
• Les bits 1 et 0 sélectionnent le numéro de l’entrée analogique.

Utilisation du CNA

I2C_Start();
I2C_Write(0x90); // Adresse du PCF 8591 en écriture
I2C_Write(0x40); // Valide le Convertisseur Numérique Analogique
I2C_Write(data); // charge la valeur dans le CNA
I2C_Stop();

Utilisation du CAN

I2C_Start();
I2C_Write(0x91); // Adresse du PCF 8591 en lecture
data_1 = I2C_Read(); // Lecture du 1er canal analogique
data_2 = I2C_Read(); // Lecture du 2ème canal analogique
data_3 = I2C_Read(); // Lecture du 3ème canal analogique
data_4 = I2C_Read(); // Lecture du 4ème canal analogique
I2C_Stop();

• Fichier PDF: Bus I2C Exemple de programme en C Pour µC de type PIC16F