進階教程5 兩根線實現無限連線 初識 I2C
本專欄內容經修訂後，已在豆瓣閱讀集結成書出版：
Arduino UNO擴充套件介面並不多，但它有一項必殺技：I2C（全稱“Inter-Integrated Circuit”，也叫“IIC”）。這個通訊協議已經存在了將近40年，最初由飛利浦半導體（現在的NXP）所定義。它將連線數百個裝置或感測器的複雜電路，簡化為2根資料線（SDA——資料和SCL——時序）。
現在已有成千上萬使用 I2C 協議的裝置或感測器，透過Arduino開發板都能控制它們。常見的如。外部精密時鐘（DS1307）、數字電位器、溫度計、指南針、FM收音模組、外部儲存、I/O擴充套件，液晶顯示屏、數字放大器等等。只需一條匯流排（即兩條資料線）就可以連線所有的裝置，上限是112個。
Arduino UNO 的I2C埠是 A4（SDA）、A5（SCL）（圖23。1）：
圖23。1
如果是 Arduino Mega2560，那麼SDA 和 SCL 分別是 20、21，其他開發板請參考官方DataSheet。如果使用 DIY系統 則 SDA、SCL 分別為27腳和28腳。I2C 匯流排接線方式很簡單（圖23。2）：
圖23。2
如果只連線一個 I2C 裝置，那麼上拉電阻就不是必須的。如果連線多個裝置，那麼要接兩個 10KΩ 上拉電阻，但也有些裝置會要求 4。7KΩ 上拉電阻。沒關係，按要求連線即可。I2C 匯流排可以達到 1 米左右，但要注意導線寄生電容對資料傳輸的影響。另外，使用 NXP P82B715 等IC，可以將匯流排長度延長至20米以上，這個以後我們會講到。
I2C 裝置分 master 和 slave 兩類定義，Arduino 開發板一般就是 master，匯流排連線的裝置和感測器是 slaves 。問題出現了，總線上裝置那麼多，讀寫資料時怎樣才能區分它們？我們想對A裝置寫入資料，但如何保證不會寫進了B裝置？實際上，每個 I2C 裝置都有一個唯一的地址。利用地址資訊就可以區分它們。
首先，I2C 需要使用庫 wire。h，同時要用到方法 Wire。begin（），要把它放到 void setup（） 中。然後，向I2C裝置傳送資料必須具備兩個元素，裝置的唯一地址（16進位制）和至少一個位元組的資料。
Wire。beginTransmission（0x2F）； // 裝置地址為0x2F
地址會向 SDA 線傳送，提醒對應的裝置，資料來了：
Wire。write（0）； //向匯流排寫入0，這個資料會傳送到上面的地址中
根據地址找到裝置後，向其傳送資料。這期間，這個裝置會張開手臂迎接資料的到來，而其他裝置則會無視，因此一次只能操作一個I2C裝置。
Wire。endTransmission（）； //結束通訊
此語句表示本次通訊結束。否則，無法進行下一個裝置的資料傳輸。我們需要從裝置接受資料，同時也知道了有多少資料將會反饋回來。比如，要求某個裝置一次性反饋3個暫存器的資訊，每個資訊需要一個變數來儲存：
Wire。requestFrom（device_address， 3）；
這告訴裝置，向 Arduino 反饋3個暫存器的資訊，後面立刻跟上3個指標變數：
*a = Wire。read（）；
*b = Wire。read（）；
*c = Wire。read（）；
獲得裝置的資料反饋後，將指標變數 *a、*b、*c 視作普通變數使用即可。實際上，用普通變數接受資料也沒有問題，但一些操作中，使用指標變數會帶來意想不到的好處，比如利用 sizeof（指標變數型別） 的方法，跳轉到前後一個位元組。
更多 I2C 的細節可以參考 NXP 的官方文件：
http：//www。
nxp。com/documents/appli
cation_note/AN10216。pdf
現在利用上面的知識，透過I2C控制 MCP4725（12bits DAC）模組（圖23。3）的電壓輸出。其實，MCP4725是一個能將參考電壓分成 4096 份（12bits）的精密電壓 IC。在 Arduino 上，可以輸出0~5V之間的電壓，每級電壓為 5/4096V ：
圖23。3
在 Arduino UNO 上，模組 SDA 接 A4，SCL 接 A5，VCC 是參考電壓，接5V或3。3V都可以，輸出範圍分別為 0~5V 和 0~3。3V，GND 接 GND。
學習操作一個模組時，首先要做的事情是查閱其 DataSheet：
http：//
pdf1。alldatasheet。com/d
atasheet-pdf/view/233449/MICROCHIP/MCP4725。html
第19頁有一個表格（FIGURE 6-2： Write Commands for DAC Input Register and EEPROM，圖23。4）很重要：
圖23。4
表格告訴我們，操作這個模組要給出4個位元組：
1st byte 是地址；
2nd byte 為操作位元組。前三位C2=0、C1=1、C0=0 時，只對 DAC 操作，如果C0=1，還會對EEPROM寫入。
3rd byte 是 12bits DAC 的前8bits；
4th byte 前4位為 DAC 總資料的後4位，最後4位沒有定義。
現在寫一個程式，輸出 0~ 3。3V 任意一個電壓值，精度位 3。3/4096 V（程式23。1）：
/*
程式23。1
作者：Ardui。Co
效果：MCP4725 輸出 0~3。3V 任意電壓
*/
#include
#define MCP4725 0x62
// MCP4725 的地址，如果不清楚可以掃描一下
unsigned
int
val
；
byte
buffer
［
3
］；
//設定位元組變數
void
setup
（）
{
Wire
。
begin
（）；
// I2C 要開始傳輸了
}
void
loop
（）
{
buffer
［
0
］
=
0b01000000
；
// 對應表格 2nd byte “操作位元組”
val
=
3000
；
// 寫入 0 ~ 4095 的範圍
buffer
［
1
］
=
val
>>
4
；
// 將一個整數轉化為二進位制，並向右移位4位，對應 3rd byte
buffer
［
2
］
=
val
<<
4
；
// 將一個整數轉化為二進位制，並向左移位4位，最右邊空出4位了，對應 4th byte
Wire
。
beginTransmission
（
MCP4725
）；
// 傳入地址，對應 1st byte
Wire
。
write
（
buffer
［
0
］）；
// 找到地址後，將操作引數傳遞給 2nd byte
Wire
。
write
（
buffer
［
1
］）；
// 將前面8位傳遞給 3rd byte
Wire
。
write
（
buffer
［
2
］）；
// 將後面4位傳遞給 4th byte
Wire
。
endTransmission
（）；
// 結束傳輸
}
此時測量MCP4725 上的 OUT 和 GND 之間的電壓：
Vout =
VCC * val/4095 = 3.3V * 3000/4095 ≈ 2.418V。
不過，由於儀器的測量誤差和 LDO 的輸出精度，VCC不一定等於3。3V，此時，先測量一下VCC，再做運算。實際測得 VCC = 3。274V，因此 Vout = 3。274V * 3000/4095 = 2。398V
Arduino 是沒有內建 DAC 的，但 DAC 的用途很廣，比如結合第13課的旋轉編碼器，就能製作一個連續可以調的數字電源；也可以利用各種數學函式，輸出任意波形的訊號。