I2C通信の仕様-Arduinoで波形を解析する

I2C通信は、マイコンと周辺部品の通信でよく使われるシリアル通信です。
ここでは、ArduinoのI2C通信波形を実際に確認しながら、I2C通信の仕様についてまとめていきたいと思います。

こんな人にオススメ

I2C通信について具体的なイメージを持っていない

Arduinoにいろんな部品を接続してみたい

準備するもの
I2C通信とは
使用するスケッチ
I2C通信の仕様
まとめ

準備するもの

この記事では、以下の物を使います。

●Arduino Uno

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amazonのスイッチサイエンスから購入する純正のArduinoは、永久保証を受けることができます。
ブレッドボードや電子部品が付いてくるので、すぐに工作を始めることができます。

●LCDディスプレイ

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16文字×2行を表示することができるLCDディスプレイです。
本来LCDディスプレイはパラレル信号を入力しないといけませんが、この商品はパラレル通信⇔I2C通信を変換してくれる回路が元から付いているので、I2C通信によるやりとりが可能です。

●CO2センサー

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I2C通信で接続することができるCO2センサーです。
精度はそれほど信用できるものではありませんが、手軽にArduinoでCO2を計測することができます。

詳細な使い方は以下の公式HPで紹介されています。
https://wiki.keyestudio.com/KS0457_keyestudio_CCS811_Carbon_Dioxide_Air_Quality_Sensor

●ジャンパーワイヤー

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LCDディスプレイやセンサーは端子がオスになっているので、各種ワイヤーを揃えておくと便利です。

●ロジックアナライザ

このロジックアナライザを使用すれば、UART、IIC、SPIなどのシリアル通信のデータを見ることができます。

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●解析ソフト　pluseview

上記のロジックアナライザのデータを見るために、pluseviewというフリーソフトを使用します。
https://sigrok.org/wiki/Downloads

以下のサイト様で使用方法を詳しく解説されているので、参考にしてください。

ロジアナの使い方！USB接続で簡単に信号解析

ロジックアナライザ(ロジアナ)の使い方をまとめてみました。 1000円程度の個人のロジアナで、簡単に信号解析が可能になります。 I2C、SPI、UARTなど多くの波形測定・解析した事例を紹介します。

I2C通信とは

I2C通信は組み込み機器のマイコンと、センサやLCDなどを接続するとき等によく使われるシリアル通信です。

2本の通信線で同時に複数の部品と通信するので、通信線が少なく省スペースにすることができますが、通信速度はそれほど早くありません。

使用するスケッチ

ArduinoでCO2センサーから取得したデータを、LCDに表示するスケッチを使用します。
CO2センサーとLCDはI2C通信でArduinoと通信します。

詳細は以下の記事でご紹介しています。

ArduinoでCO2センサーの値をLCDに表示する

Arduinoを使って、CO2センサーから取った数値をLCDに表示するプログラムを作りたいと思います。 CO2センサーとLCD（液晶ディスプレイ）はI2C通信で接続をします。I2C通信はマイコンに対して複数の機器を同時に接続できる利点があり...

ソースコードで重要な箇所を抜粋します。

// set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

// CCS811 sensor(&Wire, /*IIC_ADDRESS=*/0x5A);
CCS811 sensor;

まず、LCDとCO2センサーのアドレスを設定しています。
I2C通信を使う部品は、それぞれ自分のアドレスを持っています。
あらかじめLCDとCO2センサーのアドレスを調べて、そのアドレスを指定してやる必要があります。

今回使用する部品のアドレスは以下の通りです。

部品	アドレス
LCD	0x27
CO2センサー	0x5A

 if(sensor.checkDataReady() == true){
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0);
    lcd.print("CO2: ");
    lcd.print(sensor.getCO2PPM());
    lcd.print("ppm");
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print("TVOC: ");
    lcd.print(sensor.getTVOCPPB());
    lcd.print("ppb");
  }

CO2センサーの準備ができていたら、CO2センサーからデータを取得してLCDに表示するスケッチです。

I2C通信の仕様

上記のスケッチを実際に動かして取得したI2Cの通信データを見てみましょう。
以下がその通信データです。

ArduinoがSCLの線に流すクロックのタイミングに合わせて、SDLの線でデータをやり取りします。
今回使っている部品のアドレス「0x27」「0x5A」のうち、通信したい方のアドレスを指定して、データをやり取りしているのがわかります。

通信シーケンス

通信するときのシーケンスは以下の通りです。

チェック

マスターからスタートコンディションを送る
マスターから７bitのアドレスと、１ビットの「書き込み（０）」か「読み込み（１）」を送る
自分のアドレスを指定されたスレーブから、マスターに受信完了のAckを返す
「書き込み（０）」の場合、マスターからスレーブへデータを送る
「読み込み（１）」の場合、スレーブからマスターへデータを送る
データを受け取った方は、受信完了のAckを返す
マスターからストップコンディションを送る

順番にI2Cの仕様を見ていきたいと思います。

電圧

最大の電圧は5Vで、よく使われる電圧は3.3Vです。

SCL（クロック）

シリアル通信には、信号を正しいタイミングで読み取るための方式として、同期式と調歩同期式の2方式があります。
I2Cは同期式です。

チェック

同期式
信号線にマイコンからクロック信号も一緒に送り、そのクロック信号のタイミングに合わせて通信データを読み取ることで正しくデータを送受信することができます。
調歩同期式
あらかじめ、お互いでデータを読み取るタイミングを決めておき、そのタイミングに合わせて通信データを読み取ることで正しくデータを送受信することができます。

マスターとなるマイコンからクロック信号をSCLに流して、そのクロック信号に合わせて通信データをやり取りします。