Kahejuhtme liides TWI/I2C

Kahejuhtme liides (inglise keeles Two Wire Interface, lühend TWI) tuntakse enamasti lühendi I²C all, mis on sama protokolli patenteeritud nimetus protokolli looja Philipsi poolt. Kõnekeeles kasutataksegi enamasti “ii-ruut-c” või “ii-kaks-c” väljendeid.

I²C liides kasutab kaht kahesuunalist siini, millest üks on andmesiin (inglise keeles Serial Data line, lühend SDA) ning teine kella (inglise keeles Serial Clock line, lühend SCL) siin. Kõik sisend/väljundid siinil peavad olema avatud-kollektor ühendused ning siinil peavad olema pull-up takistid (skeemil R1 ja R2).

I2C andmesiin

I²C aadress on olenevalt seadmest 7 või 10-bitine ning levinumad kiirused kellasiinil on 10 kHz (inglise keeles Low-speed mode), 100 kHz (inglise keeles Standard mode), 400 kHz (inglise keeles Fast mode). Uuemad standardid lubavad ka suuremaid kiirusi kuid need on vähem levinud. Maksimaalne seadmete arv ühel siinil tuleneb aadressruumist. Maksimaalne siini mahtuvus on 400 pF, mis tähendab, et maksimaalne I²C kaabli pikkus võib olla vaid paar meetrit.

I²C protokollis jagunevad seadmed rolli järgi ülemateks ning alamateks (inglise keeles master ja slave). Maksimaalset ülemate ega alamate arvu ei ole määratud ja seadmed võivad vahepeal oma rolli muuta. Defineeritud on neli erinevat siini operatsiooni:

• ülem saadab
• ülem võtab vastu
• alam saadab
• alam võtab vastu

Ülem on algselt üldjuhul saatmise režiimis, saates kõigepealt start biti, millele järgneb 7-bitine alammooduli aadress ning lugemise/kirjutamise bit. Kui alam, mille aadressi oli sõnumis siinil eksisteerib vastab see ACK bitiga (hoiab siini madalas asendis). Pärast seda ülem valib, kas jääb kuulama või saadab alamale uusi andmed.

Start bit kujutab endast SDA liini madalaks tõmbamist sel hetkel, kui SCL liin on kõrge. Stop bit on defineeritud kui SDA liini kõrgeks liigutamine sel hetkel, kui SCL liin on kõrge. Kõik ülejäänud nivoovahetused peavad toimuma sel hetkel, kui SCL liin on madal.

Kirjutamine ja lugemine toimub bait haaval, igale õnnestunud baidivahetusele peab järgnema ACK signaal selle poolt, kelle poole andmeid saadeti. Kui andmevahetus on lõppenud saadab juhtmoodul, kas Stop biti või uue Start biti koos aadressiga.

RTC moodul DS3231

I²C on Atmeli kontrolleris nimetatud TWI mooduliks. Suurem osa TWI protokolli tööst teeb ära mikrokontrolleri riistvara, kuid sellegipoolest on vaja ka tarkvarateeki, kus on realiseeritud funktsioonid siinile kirjutamise ja siinilt lugemise hõlbustamiseks.

Näites on ära toodud reaalaja kellamooduli (inglise keeles Real Time Clock, lühend RTC) DS3231 kasutamine Kodulabor III põlvkonna kontrolleriga. Reaalajakell omab väikese Li-patarei näol autonoomset toidet ja peale esmast aja seadistamist ei ole hiljem enam eraldi vaja aega algväärtustada, kuna reaalajakell loendab aega iseseisvalt ja seda ka ilma välise toiteta mitme aasta vältel. Seega peale algväärtustamist võib sama moodulit kasutada ainult kella täpseks lugemiseks ning ei pea muretsema aja täpsuse või algoleku määramise pärast.

// Kodulabori RTC mooduli DS3231 näidisprogramm
// Moodul on ühendatud PORTE TWI siinile: SDA - PE0, SCL - PE1
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/module/lcd_gfx.h>
#include <homelab/xmega/clksys_driver.h>
#include <homelab/xmega/twi_master_driver.h>
#include <avr/interrupt.h>
 
// DS1307 TWI aadress
#define DS3231 0b1101000
 
// TWI ülemmoodul defineerimine
TWI_Master_t twiMaster;
 
// TWI katkestuste vektor, tegeleb taustal TWI siinile kirjutamisega ning lugemisega
ISR(TWIE_TWIM_vect)
{
	TWI_MasterInterruptHandler(&twiMaster);
}
 
// Põhiprogramm
int main(void)
{
  char buff[30];
  uint8_t time[8];
  uint8_t seconds = 0, minutes, hours;
  uint8_t date, month, year;
 
  // LCD ekraani seadistamine
  lcd_gfx_init();
  lcd_gfx_write_string("I2C RTC Module");
 
  // TWIE siini käivitamine master režiimis katkestuse prioriteediga madal,
  // TWI kiirus 100 kHz 32 MHz süsteemikellaga
  TWI_MasterInit(&twiMaster,&TWIE,TWI_MASTER_INTLVL_LO_gc,TWI_BAUD(32000000, 100000));
  // Madala prioriteediga katkestuste lubamine
  PMIC.CTRL |= PMIC_LOLVLEN_bm;
  sei();
  // Algse kellaaja määramine
  time[0] = 0;		// Aadress, kuhu kirjutatakse kellaaeg
  time[1] = 0;		// Sekund
  time[2] = (4<<4) | 4;	// Minut (44)
  time[3]	= (1<<4) | 1;	// Tund (11)
  time[4] = 3;		// Nädalapäev (3)
  time[5]	= (0<<4) | 5;	// Kuupäev (5)
  time[6]	= (0<<4) | 2;	// Kuu (2)
  time[7]	= (1<<4) | 4;	// Aasta (14)
  // DS3231 kella käivitamine (kui see ei ole juba töös)
  TWI_MasterWrite(&twiMaster,DS3231,time,8);
 
  // Lõputu tsükkel
  while (true)
  {
    // TWI siini DS3231 registritest kellaaja uuesti lugemine
    TWI_MasterWriteRead(&twiMaster,DS3231,(uint8_t *)0x00,1,7);
    // Vastuse ootamine
    while (twiMaster.status != TWIM_STATUS_READY);
    // Registritest saadud informatsiooni kellaks ja kuupäevaks teisendamine
    seconds = ((twiMaster.readData[0]>>4)*10) + (twiMaster.readData[0] & 0x0F);
    minutes = ((twiMaster.readData[1]>>4)*10) + (twiMaster.readData[1] & 0x0F);
    hours = ((twiMaster.readData[2]>>4)*10) + (twiMaster.readData[2] & 0x0F);
    date = ((twiMaster.readData[4]>>4)*10) + (twiMaster.readData[4] & 0x0F);
    month = ((twiMaster.readData[5]>>4)*10) + (twiMaster.readData[5] & 0x0F);
    year = ((twiMaster.readData[6]>>4)*10) + (twiMaster.readData[6] & 0x0F);
    // Kella LCD ekraanil kuvamine
    sprintf(buff,"%02d:%02d:%02d  %02d.%02d.20%02d",hours,minutes,seconds,date,month,year);
    lcd_gfx_goto_char_xy(2,2);
    lcd_gfx_write_string(buff);
    _delay_ms(100);
  }
}