Урок 7 из 18 · Модуль 3. I²C: шина датчиков

1. Цели урока

После этого урока вы сможете:

• объяснить устройство шины I²C: линии SDA и SCL, подтягивающие резисторы, 7-битная адресация;
• описать полный цикл обмена: условие «старт», кадр адреса, байты данных с подтверждениями, условие «стоп»;
• назвать адреса типовых микросхем: 0x76 — барометр, 0x0D — компас QMC5883L;
• диагностировать зависание шины и конфликты адресов.

2. Шина I²C

I²C (произносится «ай-скве́рд-си», от англ. Inter-Integrated Circuit) — шина, разработанная компанией Philips (ныне — NXP Semiconductors) для обмена данными между микросхемами в пределах одной печатной платы. В БпЛА она применяется там, где скорость передачи не критична, а важна простота подключения: барометры, внешние компасы (магнитометры), компактные OLED-дисплеи, лазерные дальномеры, датчики тока и напряжения. Для обмена достаточно двух сигнальных линий: SDA (данные) и SCL (тактирование); дополнительно требуются общий провод (GND) и питание.

Как устроена шина

Ключевая особенность I²C: обе линии выполнены по схеме с открытым стоком или открытым коллектором (open-drain / open-collector). Устройства могут только притягивать линию к логическому нулю; высокий уровень создаётся подтягивающим резистором, соединённым с шиной питания. Благодаря этому:

• шину могут одновременно использовать несколько устройств — это не вызывает короткого замыкания. У обычного двухтактного выхода (push-pull) активны оба уровня: если бы два таких устройства одновременно подали на одну линию «единицу» и «ноль», между ними возник бы ток короткого замыкания. Выход I²C устроен иначе: микросхема может только притянуть линию к нулю или «отпустить» её; «единицу» формирует подтягивающий резистор, который заодно ограничивает ток до безопасного значения. Поэтому конфликт передатчиков электрически безопасен (такое соединение называют «монтажным И», wired-AND);
• подтверждение приёма передаётся по уже имеющейся линии SDA, без дополнительных проводов. Каждый байт занимает девять тактовых импульсов: восемь — биты данных, девятый — подтверждение. К девятому такту передатчик освобождает линию, а приёмник, получивший байт, притягивает SDA к низкому уровню — это и есть сигнал «байт принят». Передатчик проверяет линию в девятом такте: низкий уровень — подтверждение есть (ACK), высокий — подтверждения нет (NACK), то есть устройство не отвечает или завершает обмен.

Как проходит обмен по I²C

Обменом на шине управляет ведущее устройство (master). Шина I²C допускает несколько ведущих (multi-master), однако в каждый момент времени конкретную транзакцию ведёт ровно одно из них. В БпЛА ведущим обычно выступает полётный контроллер; барометр, компас, OLED-дисплей и дальномер — ведомые (slave): они передают данные только после обращения к ним по адресу. Вся передача состоит из транзакций: ведущее устройство формирует условие «старт», передаёт кадр адреса, обменивается байтами данных и завершает обмен условием «стоп».

Чтобы понимать обмен и осциллограммы I²C, достаточно трёх правил:

• такты формирует ведущее устройство. Каждый бит передаётся ровно за один тактовый импульс на линии SCL;
• линию SDA разрешено менять только при низком уровне SCL. Пока SCL высокий, уровень на SDA остаётся стабильным — именно в этот момент приёмник считывает очередной бит;
• каждый байт подтверждается девятым тактом: ACK — «байт принят», NACK — «не принят» либо «данных больше не требуется».

Условия «старт» и «стоп» — единственные события, которым позволено нарушать второе правило, поэтому приёмник распознаёт их однозначно:

• условие СТАРТ (S) — SDA переходит из высокого уровня в низкий, пока SCL высокий;
• условие СТОП (P) — SDA переходит из низкого уровня в высокий, пока SCL высокий; после этого шина считается свободной.

Транзакция по шагам:

1. Ведущее устройство формирует условие «старт».
2. Передаёт кадр адреса: 7 бит адреса ведомого устройства и бит направления — 0 («запись») или 1 («чтение»).
3. Все ведомые устройства слушают шину; то, чей адрес совпал, отвечает ACK. Остальные в обмене не участвуют.
4. Передаются байты данных: номера регистров, команды настройки либо измеренные значения. Каждый байт завершается тактом подтверждения.
5. При чтении ведущее устройство подтверждает каждый принятый байт (ACK), но последний — не подтверждает (NACK): так ведомое устройство понимает, что данные больше не требуются.
6. Ведущее устройство формирует условие «стоп» — транзакция завершена.

Реальный пример — полётный контроллер читает измерения барометра BMP280 (адрес 0x76). Датчик хранит результаты в регистрах, начиная с 0xF7, поэтому транзакция выглядит так:

1. условие «старт»;
2. байт 0xEC — адрес 0x76 с битом «запись»; барометр отвечает ACK;
3. байт 0xF7 — «данные будешь передавать с этого регистра»; ACK;
4. повторный старт (repeated START) — смена направления на чтение без освобождения шины;
5. байт 0xED — тот же адрес 0x76 с битом «чтение»; ACK;
6. барометр выдаёт байты результата; ведущее устройство отвечает ACK на каждый, последний — NACK;
7. условие «стоп».

Ниже — ASCII-осциллограмма той же транзакции по фазам. Для примера предположим, что барометр возвращает два байта: 0x5A и 0x3C.

Как читать диаграммы: HIGH (логическая единица) — линия вверху; LOW (логический ноль) — линия внизу. Бит считывается в момент, когда SCL HIGH (фронт). Если несколько подряд идущих битов одинаковы — SDA не меняет уровень, перехода нет.

Фаза 1 — START + адрес 0xEC (запись) + ACK (обращение мастера к барометру по его адресу)

0xEC = 1 1 1 0 1 1 0 0. Перед стартом обе линии подтянуты к HIGH. START: SDA падает, пока SCL ещё HIGH. Затем мастер тактирует 8 бит + 9-й такт для ACK.

              S   b7  b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0  ACK
                   1   1   1   0   1   1   0   0   0
                 ┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐
SCL ─────────┐   │  ││  ││  ││  ││  ││  ││  ││  ││  │
             └───┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └──
                 ▲
SDA ─────┐   ┌──────────────┐   ┌───────┐
         └───┘   1   1   1  └─0─┘  1  1 └──0───0───0──
           ▲                                       ▲
        START:                                 ACK от
        SDA↓ при                              барометра
        SCL=HIGH

Мастер выдал 0xEC — это 0x76 << 1 | 0 (запись). Барометр узнал свой адрес и прижал SDA к LOW на 9-м такте → ACK. Два «горба» HIGH на SDA соответствуют двум группам единиц в 0xEC: 1 1 1 0 1 1 0 0.

Фаза 2 — байт данных 0xF7 (адрес регистра) + ACK (запрос данных из конкретного регистра)

0xF7 = 1 1 1 1 0 1 1 1

              b7  b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0  ACK
               1   1   1   1   0   1   1   1   0
             ┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐
SCL ─────────┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └──

SDA ────────────────────────┐   ┌───────────┐
             1   1   1   1  └─0─┘  1  1  1  └──0──
                                               ▲
                                           ACK от
                                          барометра

Мастер сказал барометру: «выдавай данные, начиная с регистра 0xF7». Барометр ответил ACK. Два «горба» HIGH: 1 1 1 1 0 1 1 1.

Фаза 3 — Repeated START + адрес 0xED (чтение) + ACK

0xED = 1 1 1 0 1 1 0 1. Мастер не отпускает шину (нет STOP), а формирует ещё один START — repeated START (Sr). Адрес тот же 0x76, но младший бит теперь 1 → 0xED (чтение).

              Sr  b7  b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0  ACK
                  1   1   1   0   1   1   0   1   0
         ┌───┐   ┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐
SCL ─────┘   │   │  ││  ││  ││  ││  ││  ││  ││  ││  │
             └───┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └──
        ▲  ▲
        │  └── SDA падает при SCL=HIGH → Sr (repeated START)
        │
       SDA сначала отпущена в HIGH

SDA ─────    ┌──────────────┐   ┌───────┐   ┌─┐
(данные) └───┘    1   1   1 └─0─┘ 1   1 └─0─┘1└──0──
                                                   ▲
                                               ACK от
                                              барометра

Три HIGH: 1 1 1 0 1 1 0 1. Барометр снова ответил ACK и готов выдавать данные.

Фаза 4 — барометр выдаёт первый байт данных (0x5A) + мастер отвечает ACK

0x5A = 0 1 0 1 1 0 1 0. Теперь каналом SDA управляет барометр, а мастер только тактирует SCL и подтверждает. Обратите внимание: биты b4 и b3 — обе единицы, поэтому SDA остаётся HIGH два такта подряд (один широкий «импульс», перехода внутри нет).

              b7  b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0  ACK
               0   1   0   1   1   0   1   0   0
             ┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐
SCL ─────────┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └──

SDA ────────┐   ┌───┐   ┌───────┐   ┌───┐
            └───┘   └───┘       └───┘   └──────────
               0   1   0   1   1   0   1   0   0
               b7  b6 b5   b4  b3  b2  b1  b0  ACK
                      ▲                        ▲
                 SDA остаётся HIGH            ACK от
                  два такта подряд           мастера
                  (b4+b3=1,1)              «давай ещё»

Три HIGH на SDA — ровно три группы единиц в 0x5A: 0 1 0 1 1 0 1 0

Фаза 5 — второй (последний) байт данных (0x3C) + NACK + STOP

0x3C = 0 0 1 1 1 1 0 0. Мастер знает, что этот байт последний, поэтому на 9-м такте не подтверждает (NACK = SDA HIGH). Затем формирует STOP: притягивает SDA к LOW (пока SCL ещё низкий), отпускает SCL, а затем отпускает SDA — переход LOW→HIGH при SCL = HIGH.

              b7  b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0 NACK    P
               0   0   1   1   1   1   0   0   1
             ┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐┌──┐  ┌─────
SCL ─────────┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └┘  └──┘

                    ┌───────────────┐       ┌───┐  ┌──────
SDA ────────────────┘               └───────┘   └──┘
              0    0   1   1   1   1   0   0   1     ▲
              b7   b6  b5  b4  b3  b2  b1  b0        │
                                               ▲     │
                                          NACK │   STOP:
                                         (SDA  │   SDA↑ при
                                          HIGH)│   SCL=HIGH
                                               │
                                          «хватит,
                                        данных не надо»

Один широкий HIGH (четыре такта подряд, b5–b2): 0 0 1 1 1 1 0 0. После NACK мастер кратковременно притягивает SDA к LOW и затем отпускает — этот переход LOW→HIGH при SCL = HIGH и есть условие STOP.

Вся транзакция одной строкой — так она выглядит в окне логического анализатора:

┌─────────┬─────────────┬───────────────┬────────┬─────────────┬───────────────┬────────────────┬──────┐
│  START  │  0xEC (W)   │  0xF7 (reg)   │   Sr   │  0xED (R)   │  0x5A + ACK   │  0x3C + NACK   │ STOP │
│         │  ACK        │  ACK          │        │  ACK        │  (мастер)     │  (мастер)      │      │
└─────────┴─────────────┴───────────────┴────────┴─────────────┴───────────────┴────────────────┴──────┘
  мастер     мастер →       мастер →      мастер    мастер →      ← барометр     ← барометр     мастер
             барометру      барометру               барометру     мастеру        мастеру
             «я к тебе,     «начни с                «теперь       «вот первый    «вот второй
              пишу»         регистра                читаю»         байт»          байт»
                            0xF7»

Соответствие полей в декодере логического анализатора (Saleae Logic, PulseView):

Две тонкости, о которых полезно знать:

• повторный старт (repeated START) — новое условие «старт» без предварительного «стопа». Нужен, когда в одной транзакции требуется сначала записать (выбрать регистр), а затем прочитать (получить данные). Большинство датчиков, включая BMP280, обычно используют именно такой порядок (хотя по техническому описанию BMP280 допускает и промежуточный «стоп»);
• растяжение такта (clock stretching) — медленное ведомое устройство вправе удерживать SCL в низком уровне, и ведущее устройство обязано ждать. Если на осциллограмме SCL «залип» в нуле — это не обязательно неисправность. В большинстве распространённых датчиков для БпЛА clock stretching не используется, но по протоколу он возможен.

Скорости и адреса

Стандартные режимы: 100 кбит/с (standard), 400 кбит/с (fast — типовой режим для БпЛА), 1 Мбит/с (fast+). Для сравнения: UART на скорости 115200 бод обеспечивает около 11,5 Кбайт/с полезных данных, I²C на 400 кГц — до ~40 Кбайт/с. Адреса типовых микросхем, которые необходимо знать наизусть:

Где I²C встречается в БпЛА

• Барометр на плате полётного контроллера — исторически подключался почти всегда по I²C; в настоящее время производители всё чаще применяют SPI.
• Внешний компас — GPS/GNSS-модули со встроенным компасом (Matek M8Q-5883, Holybro M9N/M10): по UART передаются координаты, по I²C — данные магнитометра. На самолетах и крупных мультироторных БпЛА компас выносят на максимальное удаление от силовых проводов — на штангу или в хвостовую часть — и подключают именно по I²C.
• OLED-дисплеи — на самодельных аппаратах и самолетах: компактный экран отображает режим полёта, напряжение аккумуляторной батареи, уровень принимаемого сигнала (RSSI).
• Лидары для автоматической точной посадки — модули на VL53L0X и другие; лидары серии TFmini чаще применяются в исполнении с интерфейсом UART.
• Цифровые датчики тока и напряжения (INA226/INA228) — в самодельных индикаторах состояния аккумуляторной батареи и в отдельных системах контроля аккумуляторов (BMS).

Классический модуль I²C: компас GY-273 на микросхеме QMC5883L. Четыре контакта: VCC, GND, SCL, SDA. Именно такие компасы (или компасы, встроенные в GPS/GNSS-модули) подключают к шине I²C полётного контроллера. После установки на борт обязательна калибровка: без неё показания компаса недостоверны и представляют опасность в полёте.

Типовые неисправности I²C и способы устранения

#include <Wire.h>
void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(115200);
  for (byte a = 8; a < 120; a++) {
    Wire.beginTransmission(a);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("Найден: 0x");
      Serial.println(a, HEX);
    }
  }
}
void loop() {}

3. Чек-лист самопроверки

Урок освоен, если каждый пункт выполнен на практике:

• Сканер адресов обнаруживает все подключённые устройства
• Понятно назначение подтягивающих резисторов и причина, по которой их не следует дублировать
• Понятно, почему внешний компас выносят на удаление от силовых проводов

4. Что дальше

• Предыдущий урок: Урок 6. UART: диагностика и логический анализатор
• Следующий урок: Урок 8. SPI: скоростной конвейер
• Полный перечень тем — в статье «Содержание курса».