Wat is I2C-bus?

Wat is I²C-bus?
De I²C-bus? (spreek uit als: I kwadraat C bus), eertijds aangeduid met IIC-bus (Inter-IC-bus), is een synchrone, seriële bus, ontwikkeld voor datacommunicatie tussen microprocessoren en andere IC’s, meestal op één enkele printplaat.

Geschiedenis
De I²C-bus werd in 1979 door Philips ontwikkeld en in 1980 gepatenteerd als een betrouwbaar en goedkoop alternatief voor een reeks van andere databussen die destijds werden toegepast in consumentenapparaten. Sinds 2006 valt deze divisie van Philips onder de firma NXP, die dus ook de verantwoordelijkheid draagt voor de I²C-standaard.

Soms spreekt men van TWI wanneer men het I²C-protocol bedoelt. TWI is de algemenere, en niet door Philips/NXP gelicencieerde, term voor I²C, dat staat voor Two-Wire Interface: Philips heeft I²C echter bedacht, dus is TWI de meer officieuze term.

Het I²C-systeem had aanvankelijk enkele nadelen, zoals een lage snelheid (100 kbit/sec) en een geringe storingszekerheid bij lange leidingen (in de praktijk mag de totale lengte van de bus zeker niet langer dan 1m zijn), maar later is de snelheid opgevoerd en zijn er speciale buffer-IC’s ontwikkeld om de leidinglengte van de bus te vergroten.

Werking
I²C werkt op basis van twee bus lijnen, namelijk SDA (serial data) en SCL (serial clock). Over de SDA-lijn worden de data verzonden en over de SCL-lijn wordt het kloksignaal verzonden.

In het onderstaande timingdiagram wordt verduidelijkt hoe de SDA en SCL samenwerken:

De werking van I²C dataoverdracht:

1. Data verzenden wordt geïnitieerd met een STARTbit (S) die de SDA het signaal geeft om omlaag getrokken te worden, terwijl de SCL hoog blijft.
2. SDA zet de eerste databit gelijk, terwijl SCL laag gehouden wordt (gedurende de blauwe tijdsbalk.). De data worden ontvangen, als SCL naar omhoog gaat (groen).
3. Als de overdracht compleet is wordt een STOPbit (P) verzonden door de datalijn vrij te geven en deze zo in staat te stellen om omhoog getrokken te worden, terwijl SCL continu hoog gehouden wordt.
4. Ten einde valse detecties te voorkomen, wordt het niveau van de SDA veranderd op de dalende flank (overgang van hoog naar laag) van SCL. Het uitlezen gebeurt op de stijgende flank (de overgang van laag naar hoog) van SCL.

Om te kunnen communiceren heeft I²C één master nodig en minimaal één slave. De master heeft de controle over de I²C-bus en genereert het kloksignaal, startbit en stopbit. De slaves communiceren alleen dan, nadat de master daartoe een verzoek stuurt.

Om te communiceren stuurt de master eerst een startbit. Die bestaat uit een hoog-naar-laagsignaal op de SDA lijn (flankgestuurd) terwijl de SCL-lijn hoog is. Vervolgens stuurt de master een adres plus een read/writebit over de I²C-lijn. De read/writebit geeft aan of de master data wil versturen of wil ontvangen. De slave die het aangeroepen adres heeft, zal dan reageren met een ‘acknowledge’, zodat de master weet dat het aangeroepen IC actief is.

Nu kunnen de data worden verzonden. Er wordt één byte per keer verzonden plus een ‘acknowledge’ van de ontvanger om te bevestigen dat de data zijn ontvangen. Nadat de data zijn verstuurd, zal de master de stopbit verzenden: een laag-naar-hoogsignaal op de SDA-lijn (flankgestuurd), terwijl de SCL-lijn hoog is.

Om goed te kunnen werken is het verstandig de beide buslijnen hoog te houden door een pull-upweerstand. De waarde van de weerstand is afhankelijk van de spanning op de bus (bij 3,3 V systemen tussen ongeveer 1,8 kΩ en 2,7 kΩ, maar bij 5V meestal 4,7 kΩ). Dit is ook afhankelijk van de snelheid waarmee men de bus wil laten werken.

Voordelen
Bij geschikte toepassingen zijn belangrijkste voordelen:

• Lage kostprijs.
• Eenvoudige bedrading (slechts twee signaalleidingen).
• Weinig soldeerpunten, kleine IC’s.
• Uitgebreid gamma IC’s met de I²C-interface.
• Compatibele IC’s van andere fabrikanten.
• Robuuste bouw.
• Langzame perifere chips kunnen wachtcycli afdwingen.
• Geïntegreerde multimastermogelijkheid, dat wil zeggen meerdere microcontrollers (masters) kunnen dezelfde bus gebruiken en zelfs onderling communiceren.

Nadelen
Naast de vele voordelen zijn er ook enkele nadelen:

• Als er één aangesloten chip (IC) niet goed functioneert in de I²C -bus, kan dit de hele lijn van I²C blokkeren, zodat er helemaal geen communicatie meer op de I²C-lijnen kan plaatsvinden.
• I²C wordt traag bij grotere hoeveelheden data.

Latere versies
In latere versies van de I²C-bus zijn er verschillende verbeteringen aangebracht. Zo is onder andere de maximale snelheid verhoogd naar 400 kbit/sec (Fast-mode) en weer later naar 3,4 Mbit/sec (High-speed mode), is de adresseringsruimte van aangesloten IC’s vergroot van 7 naar 10 bit en zijn er voorzieningen gekomen om I²C-bussen met verschillende voedingsspanningen te verbinden.

Bron: Wikipedia