[5] Arduino講義：電算機 Serial Communication (I2C)

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Introduction of I2C

• I2C bus 為 Inter-Integrated Circuit Bus 的縮寫，中文叫做積體電路匯流排，其功用為提供 IC 之間的連接與通訊。
• 目的:減少MCU與周邊晶片之間的腳位數
• 只有兩條訊號線，SCL(Serial CLock Line) 負責傳時脈，SDA(Serial Data line)負責傳資料。
• I2C : 半雙工、串列、同步
• 以匯流排型介接允許有多個master以及slave。

• 由上圖可知，所有I2C裝置皆並接(Wired-AND)在SCL及SDA兩條線路上
• 須接上拉電阻(Rp)，將浮接狀態( float )轉變為邏輯高準位( High )狀態。

I2C Bus協定

• 閒置( idle )時兩者皆為高電位。

• START condition：SCL為 HIGH時，SDA發生下緣。
• 先傳地址( slave address，決定跟哪個 slave 溝通)，再傳資料。地址有 7bit跟 10bit兩種。
  • 7bit：最大可以有 128個 slave (但實際上有16個系統擴充位址是保留的)。
  • 10bit：最大可以有 1024個 slave 。(但很少見，不是所有使用 I2C 的裝置都支援 10bit mode)。
• 地址：由於地址為 7bit，因此在傳第一個 byte的時候，前 7bit 為 address，最後的 bit 為 R/W bit，指定要"讀"或"寫"資料(0：write，1：Read)。
• 只有在 SCL 為 HIGH 時，才會對 SDA 取樣。 SCL 為 LOW 時，不會取樣，但可以改變資料。
• STOP condition：SCL為 HIGH時，SDA發生上緣。

ACK/NACK機制

• 發送端在每組(8bits)訊號送出後，需讀取接收端所回應的一個ACK bit(Acknowledge bit)
  (注意:發送端不一定是master，ex:讀取資料時，發送端為slave)

實際傳輸的狀況

• 寫入：
  
  • R/W為0時，代表 slave 端要讀取master端資料，此時 slave 會發出一個 acknowledge bit(就是由 slave 把 SDA 拉低)，讓 master 確認 slave 是否有收到資料。
• 讀取：
  
  • R/W 為1時，代表 master 端要讀取 slave 端資料，此時 master 為 Receiver，slave 為 transmitter，因此 acknowledge bit 會是由 master 進行發送。

note：傳地址後的 acknowledge bit 必為 slave 傳送給 master；傳送 Data 後的 acknowledge bit 則須視前面 R/W 的值而定。

• 當 master 讀到 ACK 回應, 即可以繼續傳輸下一個 Byte。
• 當 master 讀到 NACK 回應, 意思是 slave 無回應，此時 master 應送出 (結束) 訊號放棄該命令。
• 參考資料：
  • 資料來源1
  • 資料來源2

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Wire函數：

函數	作用
begin()	啟動 Wire 作為 master 或是 slave
beginTransmission(address)	開始對 address 的連線
endTransmission()	關閉之前的連線
write(data)	在連線上送出 一個 byte 的資料
read()	讀取連線上的一個 byte 的資料
available()	檢查連線上是否有可接收的資料
onReceive(function)	設定用來接收資料的函數

note：在無(address)時，Arduino 是作為I2C的 master；有(address)時，是作為 I2C 的 slave 。

LAB1

• 實驗目標:利用I2C進行Arduino間通訊
• schematic：

• master 把串口收到的資料，發送給 slave：
  

• slave 端直接處理接收回來的資料：

• 參考影片：
  

若使用的 Arduino IDE 版本不能同時開兩個 Serial Monitor，請點此下載Tera Term後，點選設定做為第二個Serial Monitor。
使用方法：開啟Tera Term後，點選設定 –>連接埠 –>更改端口與鮑率

Arduino講義：LCD

LCD介紹

• 目前市面上的 LCD 模組可分文字型及繪圖型兩種。文字型 LCD 模組常見的規格有16 字x1 行，20 字x1 行，40 字x1 行，16 字x2 行，20 字x2 行，40 字x2行等多種。

• 文字型 LCD 顯示器內部具有字元產生器，因此可以接受 ASCII 字元碼，並將字元顯示在 LCD 上。

LCD架構

• LCD 模組的結構如圖所示，由 LCD 控制器、LCD 驅動器及 LCD 顯示器所組成。目前市售 LCD 模組所採用的 LCD 控制器都相容，使用方法也相同，因此幾乎所有的 LCD 模組都具有相同的控制方法。

I2C 16x2 LCD介紹

• SDA – 接 Arduino 的 Analog Pin 4 (Arduino Mega 為 Pin 20)
• SCL – 接 Arduino 的 Analog Pin 5 (Arduino Mega 為 Pin 21)
• GND – 接 GND
• VCC – 接 +5V

LCD接法

學習使用LCD貼出字串

• LCD I2C Libraries下載：here
• Keypad Libraries下載：here
• code：

LAB2

• 實驗目標：將上面的字串改成自己的學號，使其以如下影片的跑馬燈方式繞行。

• LiquidCrystal_I2C:

函數	作用
lcd.begin(cols, rows);	定義LCD的長寬（n列×n行）
lcd.clear()	清空LCD
lcd.setCursor(col, row);	設定輸入值起始位置
lcd.print(data);	在螢幕上顯示資料
lcd.scrollDisplayRight();	將畫面向右捲動
lcd.scrollDisplayLeft();	將畫面向左捲動

• 參考影片：

LAB3

簡易計算機

• 實驗目標：利用薄膜鍵盤與LCD實現簡易計算機(二項式加減乘除)

• 實驗要求:

  • A 鍵為加號、B 鍵為減號、C 為乘號、D 為除號、# 為等於、* 為清除鍵。
  • 由薄膜鍵盤輸入數字後，LCD 第一列顯示運算式，第二列顯示等號與運算結果。

• code hint:
  

• 示範影片:
  

Bonus

四則運算計算機

• 實驗目標：利用薄膜鍵盤與LCD實現四則運算計算機(多項式四則運算)

• 實驗要求:

  • A 鍵為加號、B 鍵為減號、C 為乘號、D 為除號、# 為等於、* 為清除鍵。
  • 由薄膜鍵盤輸入數字後，LCD 第一列顯示運算式，第二列顯示等號與運算結果，並使其具有四則運算功能。

• code hint:
  

• 示範影片:
  

課後問題

Q1.簡述 I2C 如何藉由 SCL 與 SDA 傳送資料 ?
Q2.上課的時候提到可以有多個master，請問若同時有兩個以上的master送出訊號會發生什麼事？並且描述該如何解決。
Q3.電算機為何總和超過 32767 時字串會溢位?如何解決 ?

作業繳交格式

W5結報_第XX組.zip
壓縮檔裡包含:
1.W(週數)結報.pdf
2.資料夾:W(週數)
Lab1-1.ino (Master)
Lab1-2.ino (Slave)
Lab2.ino
Lab3.ino
Bonus.ino

*LAB3與Bonus需附上註解