Emulation des I²C-Busses per Software

Allgemeines zum I2C-Bus findet man auf dieser Seite.

Nicht alle PICs verfügen über ein SSP (MSSP)-Modul, das als I2C-Interface verwendet werden kann. Aber auch ohne unterstützende Hardware lässt sich ein PIC als z.B. I2C-Master benutzen. Ich möchte das am Beispiel des PIC16F628 zeigen.

zu Beginn eine allgemeine I2C-Beschreibung
Allgemeines (auf einer anderen Seite)

ab hier wird es spezifisch für 16F628
Verdrahtung
Initialisierung
Daten auf I2C-Bus schreiben
Daten vom I2C-Bus lesen
 

Verdrahtung

Dieser Artikel bedarf einer Überarbeitung. Die nötigen zwei open-drain-Ausgänge lassen sich einfacher mit nur zwei Pins erzeugen, indem man anstelle der PORTA-Bits die TRISA-Bits schaltet.
 

Zur Ansteuerung des I2C-Busses benötigt man 2 open-drain- oder open-kollektor-Ausgänge, die auch als Eingänge funktionieren. Das Pin RA4 ist das einzige Pin, das diese Voraussetzung erfüllt. Allerdings ist es aufgrund der RA4-Falle, nicht ganz einfach zu nutzen.  Ich bastle mir lieber aus jeweils 2 Pins des Ports A einen bidirektionalen open-drain-Leitungstreiber. Folglich sind die Pins RA0..RA3 für den I2C-Bus reserviert. RA0    SDA-Ausgang RA1    SCL-Eingang RA2    SDA-Eingang RA3    SCL-Ausgang Die nebenstehende Grafik zeigt das an einem praktischen Beispiel.

Ich lege per   #define-Befehl eingängige Namen für diese 4 Pins fest:
 

list p=16f628 ;************************************************************** ;*      Pinbelegung ;*      ----------------------------------  ;*      PORTA:  0 SDA out ;*              1 CLK in ;*              2 SDA in ;*              3 CLK out ;*              4 - ;************************************************************** ; ;sprut (zero) Bredendiek 12/2002  ; I2C-Bus am 16F628 ; Prozessor 16F628  ; Prozessor-Takt 10 MHz ; ; I2C am PortA ; ;********************************************************** ; Includedatei für den 16F628 einbinden         #include <P16f628.INC> ; Configuration festlegen: ; Power on Timer, kein Watchdog, HS-Oscillator, kein Brown out, kein LV-programming         __CONFIG        _PWRTE_ON & _WDT_OFF & _HS_OSC & _BODEN_OFF & _LVP_OFF ; für I2C #define SDAo    PORTA,0         ;Daten output #define SDAi    PORTA,2         ;Daten input #define SCL     PORTA,3         ;Takt #define SCLo    PORTA,3         ;Takt #define SCLi    PORTA,1         ;Takt input

Da das gesamte Busprotokoll per Software erzeugt wird, hängt die Busgeschwindigkeit von der Kompaktheit der Softwareroutinen und dem Takt des PICs ab. Die hier vorgestellten Routinen erreichen bei 10 MHz-PIC-Takt einen I2C-Bus-Takt von 210 kHz. Sie können für low-speed-I2C-Slaves verwendet werden, wenn der PIC mit 4 MHz getaktet wird:
 

PIC-Takt	I2C-Takt	Standart-Mode (100 kHz)	Fast-Mode (400 kHz)
4 MHz	85 kHz	o.k.	o.k.
8 MHz	170 kHz	-	o.k.
10 MHz	210 kHz	-	o.k.
12 MHz	250 kHz	-	o.k.
16 MHz	340 kHz	-	o.k.
20 MHz	420 kHz	-	-

Natürlich kann der I2C-Takt auch durch das Einfügen einiger NOP-Befehle in die Routinen verringert werden. Eine Beschleunigung ist aber nur möglich, wenn man nicht alle Feinheiten des I2C-Busses nutzen will. Meine Routinen berücksichtigen die Möglichkeit, dass ein Slave den I2C-Takt aktiv verlängert. Das macht aber in Wirklichkeit kaum ein I2C-Schaltkreis. Wer sich sicher ist, dass er dieses Feature nicht braucht, kann die I2C-Routinen verschlanken, und einen schnelleren I2C-Takt erreichen.

Um Daten auf den I2C-Bus zu schreiben, wird der Bus mit i2c_on übernommen. Danach wird das zu schreibende Byte nach 'w' geladen, und danach i2c_txt aufgerufen.
Ist der Datentransfer beendet, gibt man mit i2c_off den Bus wieder frei.

Nachfolgendes Beispiel steuert einenTDA8444 an. Dieser Chip enthält acht 6-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC). Die ersten 6 DACs des TDA8444 werden auf 6 unterschiedliche Spannungen eingestellt:
 

; Achtung PIC-Takt maximal 4 MHz         call    i2c_on          ; Bus übernehmen         movlw   H'40'           ; Adresse des TDA8444 (A0..A2=0)         call    i2c_tx         movlw   H'00'           ; kanal 0 increment adress         call    i2c_tx         movlw   H'00'           ; DAC0: 0V         call    i2c_tx         movlw   H'01'           ; DAC1: 1/64 Vcc         call    i2c_tx         movlw   H'02'           ; DAC2: 1/32 Vcc         call    i2c_tx         movlw   H'04'           ; DAC3: 1/16 Vcc         call    i2c_tx         movlw   H'08'           ; DAC4: 1/8 Vcc         call    i2c_tx         movlw   H'10'           ; DAC5: 1/4 Vcc         call    i2c_tx         movlw   H'20'           ; DAC6: 1/2 Vcc         call    i2c_tx         call    i2c_off         ; Bus freigeben

Da der TDA8444 ein Standard-Mode-Chip (max. 100 kHz) ist, darf der PIC dabei mit nur 4 MHz getaktet werden. Der TDA benötigt offiziell eine Betriebsspannung (Vcc) von mindestens 4,5V. Meiner Erfahrung nach läuft er aber erst ab 6V. Diese Betriebsspannung darf natürlich nicht mit dem Vcc-Pin des PIC verbunden werden. Der braucht seine eigenen 5 V.

Um Daten vom den I2C-Bus zu lesen, wird der Bus mit i2c_on übernommen. Danach wird die Adresse des auszulesenden I2C-Bausteins mit gesetztem Bit0 in 'w' geladen, und dieser Baustein dann mit i2c_tx adressiert. Danach wird i2c_rx oder i2c_rxack aufgerufen. Diese Routine liest ein Byte vom I2C-Bus, und schreibt es nach 'w'. i2c_rxack erzeugt zusätzlich ein ACK-Signal für den gelesenen I2C-Baustein. Das ist nötig, wenn noch weitere Bytes gelsesen werden sollen..
Ist der Datentransfer beendet, gibt man mit i2c_off den Bus wieder frei.

Nachfolgendes Beispiel steuert einen LM75-Temperatursensor an, und liest die von ihm gemessene Temperatur aus (2 Byte) :
 

call    i2c_on          ; Bus aktiv          movlw   H'91'           ; 1001 0001 , LM75 (A0..A2=0)         call    i2c_tx          ; LM75 zum Lesen adressieren          call    i2c_rxack       ; lesen mit ACK         movwf   Temp_h          ; 1. Byte in Speicherzelle Datenpuffer retten         call    i2c_rx          ; lesen ohne ACK - letztes Byte         movwf   Temp_l          ; 2. Byte in Speicherzelle Datenpuffer retten          call    i2c_off         ; Bus freigeben

Folgende Routinen werden benötigt:

• i2c_reset

bringt den I2C-Bus in einen definierten Ausgangszustand
• i2c_on

übernimmt den I2C-Bus, sobald er frei ist
• i2c_off

gibt den I2C-Bus wieder frei
• i2c_tx

sendet das Byte aus 'w' über den I2C-Bus
• i2c_rx
• empfängt ein Byte aus dem I2C-Bus, und legt es in 'w', buf ab
• i2c_rxack

empfängt ein Byte aus dem I2C-Bus, und legt es in 'w', buf ab
anschließend wird ein ACK-Signal erzeugt