Tutorial sul protocollo I2C

Introduzione

Molti dispositivi usano delle interfacce standard per comunicare tra di loro, progettate per rendere la comunicazione affidabile e univoca tra diversi dispositivi prodotti da aziende diverse. Proprio per i motivi citati pocanzi, sono nati  degli standard di comunicazione  tra questi c’è anche il protocollo I²C, introdotto da Philips Semiconductors, negli anni 80, per poi standardizzarlo agli inizi del 1990.

Il protocollo I²C  è stato adottato da molte aziende che producono periferiche e sensori, dove non è richiesta un elevato bit-rate di  trasmissione, infatti, i sensori che devono monitorare una grandezza fisica che ha una certa inerzia, trasferisco una quantità limitata di dati.

Il protocollo I²C, ha un rate di trasferimento compreso tra qualche Kb/s fino ad un massimo di un Mb/s, se paragonate alla  velocità dei bus moderni, che possono raggiungere anche velocità di migliaia di Gb/s,  queste velocità possono sembrare ridicole, ma per un sistema embedded che  svolge funzioni di controllo, sono più che sufficienti.

Collegamento elettrico

Uno dei maggiori vantaggi del protocollo I²C è sicuramento quello di poter collegare contemporaneamente ben 255 dispositivi con l’uso di soli due cavi di comunicazione: SDA (dati) e SCL (CLK). In Figura 1  c’è lo schema di principio di come collegare  il bus, per il suo corretto funzionamento è necessario connettere  due resistori di pull-up, uno per ogni linea di comunicazione, e il valore di resistenza dipende dalle caratteristiche e dalla velocità di trasmissione del bus (vedi paragrafo successivo).

Come calcolare il valore di resistenza  di pull-up del bus I²C

Il valore del resistore di pull-up che deve essere inserito sulle linee del bus di comunicazione I²C e’ fondamentale, un valore errato può provocare la perdita dell’informazione trasmessa e/o ricevuta.

I dispositivi connessi sul bus hanno un’interfaccia open-drain/open-collector, quindi,  sono delle linee flottanti, non hanno un riferimento e solo ad alta impedenza,  per evitare conflitti, per questi motivi bisogna collegare sulle due linee del bus due resistori di valore opportuno.

Un dispositivo digitale (CMOS) è in grado di interpretare un livello basso (V_IL) se il valore di tensione è massimo il 30% della tensione d’alimentazione,  mentre il livello alto (V_IH) il valore di tensione deve essere minimo il 70% della tensione d’alimentazione, l’intervallo di tensione compreso tra questi due livelli è indefinito, cioè non sappiamo l’uscita in quale stato si pone.

Se il resistore connesso sulle linee di pull-up è di valore molto basso non riusciremo a garantire il livello di tensione massimo necessario per  per pilotare a livello basso la logica digitale a valle (vedi Figura 3), il MOSFET quando è in conduzione lo possiamo rappresentare come un resistore. Facciamo un esempio, il datasheet di una EEPROM, prodotta da Microchip, fornisce la corrente massima di 3 mA, per avere una caduta di tensione 0.4V sul MOSFET.

Da questi dati possiamo ricavare  il valore del resistore di pull-up minimo:

Questo è il valore minimo di resistenza per il quale il dispositivo riesce a garantire un livello di tensione di 0.4V.

Adesso, dobbiamo considerare la capacità parassita presente sulle linee, questo valore è difficile da reperire,   di solito si considerano dei valori standard che riporto nella Tabella 1

La capacità parassita rallenta il tempo di salita e discesa  durate le commutazioni del segnale, che sono definite come t_r (tempo di salita) e t_f (tempo di discesa). Consideriamo solo il tempo di salita come in Figura 3

Maggiore sarà il valore del resistore e capacità parassita e maggiore sarà il tempo T_R, questo tempo è importantissimo, perché’ determina la velocità massima di trasmissione,  se è maggiore del periodo  di trasmissione la comunicazione risulterà indecifrabile, poiché ci sarà intermodulazione tra due bit adiacenti. Non possiamo agire sulla capacità parassita poiché essa non è una variabile del sistema ma solo sul valore del resistore di pull-up.

Il comportamento del segnale  sul bus è descritta dalla seguente relazione:

che descrive il comportamento esponenziale della Figura 3.

Per  il livello alto ,V_IH = 0.7 x V_CC:

Per  il livello basso ,V_IL = 0.3 x V_CC:

Come indicato nella Figura 3, il tempo di salita del segnale e’ dato dalla differenza tra t₂-t₁:

Quindi il massimo valore del resistore di pull-up:

Supponiamo di dover progettare un sistema con una frequenza di trasmissione di 400 kHz, e con un tempo di salita (T_R) di 300 ns e con una capacità parassita C_BUS di 100 pF  e sostituiamo i valori nell’ultima relazione:

Conclusione: il valore del resistore deve essere compreso tra:

Specifiche del protocollo I²C

La comunicazione si svolge tra  un dispositivo, definito “master”, e  gli “slave”, che sono delle periferiche come dei  sensori , display, memorie  ecc. . Ogni “slave” ha un proprio indirizzo univoco (da 7 a 10 bit) , quando inizia la comunicazione il  “master” inserisce sul bus , con trasferimento seriale, l’indirizzo della periferica da interrogare per poi  inviare il comando e  solo la periferica selezionata può rispondere, onde evitare conflitti sul bus e la corruzione dell’informazione.

In Figura 4 e’ rappresentato  il timing di una trasmissione sul bus I²C.

Il “master” genera il segnale di start, per comunicare agli “slaves” che sta per iniziare una trasmissione, ponendo la linea SDA a livello basso. Dopo la generazione del segnale di start, inizia la trasmissione, il primo byte è l’indirizzo dello “slave”, seguito dal bit, che indica la richiesta di trasmissione o ricezione dati:

• “0” : Ricezione dati;
• “1” : Trasmissione dati

Dopo la trasmissione di ogni byte  chi trasmette ha l’obbligo di rilasciare il bus SDA nello stato alto, in modo da consentire a chi ha ricevuto i dati di trasmettere l’acknowledge,  abbassando la linea SDA in corrispondenza del fronte di salita del clock SCL (vedi Figura 5)

Mentre il frame completo della trasmissione è riportato nella Figura 6:

La sincronizzazione del trasferimento dei dati è eseguito grazie al clock sulla linea SCL, generato dal master, in questo modo tutte le periferiche, anche con  caratteristiche diverse, devono trasferire i dati alla stessa velocità.

Spero che le informazioni riportate in questo articolo siano state chiare se doveste avere qualche dubbio non esitate a scrivermi, nel form di seguito, sara’ un piacere per me rispondervi il prima possibile.