【PIC】I2C通信のやり方

マイコンでLチカが出来たら次はLCDに文字を表示したり、色々なセンサーを扱いたいですよね。今回はマイコンと周辺機器の通信によく使われるI2C通信のやり方をちょっとだけ詳しく解説していきます。

1 I2C通信とは
2 通信フォーマット
3 関連レジスタ
4 I2C制御ライブラリ

I2C通信とは

I2C (IICやI²Cとも) とはInter-Integrated Circuitの略で、”あい　すくえあーど　しー”と読みます。普段は面倒なので”あい　つー　しー”って呼びますけどね。I2C通信の特徴は、

SDA (Serial Data) とSCL (Serial Clock) の2本の線だけで通信ができる
複数のデバイスを同一の線に接続できる（複数のデバイスがあっても線は2本だけ）

といったところですね。I2Cと並んでよく使われる通信方式にSPIがありますが、そちらはデバイスごとに1本ずつ追加で線が必要になるので、ピンの少ないマイコンではI2C通信の方が便利なことが多いと思います。

通信フォーマット

I2C通信では通信する2者のうち一方がマスター、他方がスレーブとなり、マスターがクロックを生成して通信を制御します。I2C通信には7-bitモードと10-bitモードがあるのですが、一般的に使われるのは7-bitモードの方なので、今回はそちらで説明していきます。

また、クロックの周波数は規格化されていて100 kHzか400 kHzで通信を行います。

通信のフォーマットはこのようになっています。

マスターがスタートコンディションを送信し、その後7 bitsのスレーブアドレスと1 bitのRead/Write (Read:1 Write:0) の8 bitsを送信したら、スレーブからACK (Acknowledge) が返ってきます。

その後は8 bitsのデータを送信したらACKを返信するサイクルを繰り返します。図では2サイクルしか描いていませんが、もっと連続して通信することも可能です。

受信のときは最終データを受信したらNACK (Not Acknowledge) を返信して最終データであることをスレーブにつたえます。

データの送受信が完了したらマスターがストップコンディションを送信して通信を終了します。

I2C制御ライブラリ

続いてこれらのレジスタを使ってI2C通信を制御するライブラリを作成します。１から作るのも良いですがすでに多くの方がネットでライブラリを公開されているので、それをベースに作ろうと思います。

最後にまとめたものを掲載するので、過程はどうでもいいという方は下の方にスクロールしてください。

参考にしたのはこちらのサイトです。I2C通信について細かく書かれていますが、英語をたくさん読むのは面倒なので下の方にあるサンプルプログラムだけ頂いちゃいましょう。

頂いたプログラム

void I2C_Master_Init(const unsigned long c){
  SSPCON = 0b00101000;            //SSP Module as Master
  SSPCON2 = 0;
  SSPADD = (_XTAL_FREQ/(4*c))-1; //Setting Clock Speed
  SSPSTAT = 0;
  TRISC3 = 1;                   //Setting as input as given in datasheet
  TRISC4 = 1;                   //Setting as input as given in datasheet
}
void I2C_Master_Wait(){
  while ((SSPSTAT & 0x04) || (SSPCON2 & 0x1F)); //Transmit is in progress
}
void I2C_Master_Start(){
  I2C_Master_Wait();    
  SEN = 1;             //Initiate start condition
}
void I2C_Master_RepeatedStart(){
  I2C_Master_Wait();
  RSEN = 1;           //Initiate repeated start condition
}
void I2C_Master_Stop(){
  I2C_Master_Wait();
  PEN = 1;           //Initiate stop condition
}
void I2C_Master_Write(unsigned d){
  I2C_Master_Wait();
  SSPBUF = d;         //Write data to SSPBUF
}
unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a){
  unsigned short temp;
  I2C_Master_Wait();
  RCEN = 1;
  I2C_Master_Wait();
  temp = SSPBUF;      //Read data from SSPBUF
  I2C_Master_Wait();
  ACKDT = (a)?0:1;    //Acknowledge bit
  ACKEN = 1;          //Acknowledge sequence
  return temp;
}

void I2C_Master_Init(const unsigned long c){

SSPCON = 0b00101000; //SSP Module as Master

SSPCON2 = 0;

SSPADD = (_XTAL_FREQ/(4*c))-1; //Setting Clock Speed

SSPSTAT = 0;

TRISC3 = 1; //Setting as input as given in datasheet

TRISC4 = 1; //Setting as input as given in datasheet

}

void I2C_Master_Wait(){

while ((SSPSTAT & 0x04) || (SSPCON2 & 0x1F)); //Transmit is in progress

}

void I2C_Master_Start(){

I2C_Master_Wait();

SEN = 1; //Initiate start condition

}

void I2C_Master_RepeatedStart(){

I2C_Master_Wait();

RSEN = 1; //Initiate repeated start condition

}

void I2C_Master_Stop(){

I2C_Master_Wait();

PEN = 1; //Initiate stop condition

}

void I2C_Master_Write(unsigned d){

I2C_Master_Wait();

SSPBUF = d; //Write data to SSPBUF

}

unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a){

unsigned short temp;

I2C_Master_Wait();

RCEN = 1;

I2C_Master_Wait();

temp = SSPBUF; //Read data from SSPBUF

I2C_Master_Wait();

ACKDT = (a)?0:1; //Acknowledge bit

ACKEN = 1; //Acknowledge sequence

return temp;

}

プログラムの内容は上記のレジスタの説明を見れば理解できるかと思います。

とても簡潔ですばらしいのですが、このライブラリはPIC16F877A用に作られているので、自分の環境に合わせてカスタマイズしていきます。

今回はPIC16F18326でMSSP2を使います。

変更点

2行目SSPCON → SSPCON1 (これはミスだと思うのですが…)
全体SSP → SSP2
5行目0 →　0x80
6,7行目　→　削除　（main関数で初期化する）
14行目SEN　→　SSP2CON2bits.SEN
18行目RSEN →　SSP2CON2bits.RSEN
22行目PEN　→　SSP2CON2bits.PEN
35行目　(a)?0:1　→　a

主にはMSSPモジュールが2個あることへの対応です。全体のSSPをSSP2に変えるのは、エディタの置換機能で全て置換してしまうと良いです。35行目に関しては、aが0なら1を代入し、1なら0を代入するというのが、直感的ではないと感じたのでaをそのまま代入するようにしました。

これでちゃんと動くと思うのですが、私の環境では動きませんでした…

色々試してみた結果、デフォルトのピンに明示的に割り付けを設定すると上手くいきました。下記プログラムの11～14行目です。
//理由は分からないけどとりあえず動いてるからヨシ
はプログラマーの定番ですよね？この部分の解説はしませんが、もしも私と同様に上手くいかない場合は試してみてください。

以下が完成したライブラリです。

#include<xc.h>
#define _XTAL_FREQ 4000000

void I2C_Master_Init(const unsigned long c){
  SSP2CON1 = 0x28;                //SSP2 Module as Master
  SSP2CON2 = 0x00;
  SSP2CON3 = 0x00;
  SSP2ADD = (_XTAL_FREQ/(4*c))-1; //Setting Clock Speed
  SSP2STAT = 0x80;
  
  //SSP2CLKPPS = 0x14;              //PPS Settings
  //SSP2DATPPS = 0x15;
  //RC4PPS = 0x1a;
  //RC5PPS = 0x1b;
}
void I2C_Master_Wait(){
  while ((SSP2STAT & 0x04) || (SSP2CON2 & 0x1F)); //Transmit is in progress
    
}
void I2C_Master_Start(){
  I2C_Master_Wait();    
  SSP2CON2bits.SEN = 1;           //Initiate start condition
}
void I2C_Master_RepeatedStart(){
  I2C_Master_Wait();
  SSP2CON2bits.RSEN = 1;          //Initiate repeated start condition
}
void I2C_Master_Stop(){
  I2C_Master_Wait();
  SSP2CON2bits.PEN = 1;           //Initiate stop condition
}
void I2C_Master_Write(unsigned d){
  I2C_Master_Wait();
  SSP2BUF = d;                    //Write data to SSP2BUF
}
unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a){
  unsigned short temp;
  I2C_Master_Wait();
  SSP2CON2bits.RCEN = 1;
  I2C_Master_Wait();
  temp = SSP2BUF;                 //Read data from SSP2BUF
  I2C_Master_Wait();
  SSP2CON2bits.ACKDT = a;         //Acknowledge bit    1:NACK  0:ACK
  SSP2CON2bits.ACKEN = 1;         //Acknowledge sequence
  return temp;
}

#include<xc.h>

#define _XTAL_FREQ 4000000

void I2C_Master_Init(const unsigned long c){

SSP2CON1 = 0x28; //SSP2 Module as Master

SSP2CON2 = 0x00;

SSP2CON3 = 0x00;

SSP2ADD = (_XTAL_FREQ/(4*c))-1; //Setting Clock Speed

SSP2STAT = 0x80;

//SSP2CLKPPS = 0x14; //PPS Settings

//SSP2DATPPS = 0x15;

//RC4PPS = 0x1a;

//RC5PPS = 0x1b;

}

void I2C_Master_Wait(){

while ((SSP2STAT & 0x04) || (SSP2CON2 & 0x1F)); //Transmit is in progress

}

void I2C_Master_Start(){

I2C_Master_Wait();

SSP2CON2bits.SEN = 1; //Initiate start condition

}

void I2C_Master_RepeatedStart(){

I2C_Master_Wait();

SSP2CON2bits.RSEN = 1; //Initiate repeated start condition

}

void I2C_Master_Stop(){

I2C_Master_Wait();

SSP2CON2bits.PEN = 1; //Initiate stop condition

}

void I2C_Master_Write(unsigned d){

I2C_Master_Wait();

SSP2BUF = d; //Write data to SSP2BUF

}

unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a){

unsigned short temp;

I2C_Master_Wait();

SSP2CON2bits.RCEN = 1;

I2C_Master_Wait();

temp = SSP2BUF; //Read data from SSP2BUF

I2C_Master_Wait();

SSP2CON2bits.ACKDT = a; //Acknowledge bit 1:NACK 0:ACK

SSP2CON2bits.ACKEN = 1; //Acknowledge sequence

return temp;

}

void I2C_Master_Init(const unsigned long c);
void I2C_Master_Wait();
void I2C_Master_Start();
void I2C_Master_RepeatedStart();
void I2C_Master_Stop();
void I2C_Master_Write(unsigned d);
unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a);

void I2C_Master_Init(const unsigned long c);

void I2C_Master_Wait();

void I2C_Master_Start();

void I2C_Master_RepeatedStart();

void I2C_Master_Stop();

void I2C_Master_Write(unsigned d);

unsigned short I2C_Master_Read(unsigned short a);

i2c.cとi2c.hをプロジェクトにインポートして、i2c.hをインクルードすればライブラリが使えるようになります。よく分からない場合はi2c.cの関数をmain.cにコピペしても問題ありません。

ここまで来たら気を付けなければいけないのはあと1つだけです。

変更前のライブラリにも書いてありましたが、SDAとSCLはデジタルで”入力”にしないといけません。

それでは次回はこのライブラリを使ってLCDに文字を表示したいと思います。https://rikeden.net/?p=81センサーなどから値を読み取りたい場合にはこちらも参考にどうぞ。https://rikeden.net/?p=233

I2C通信とは

通信フォーマット

関連レジスタ

SSPxSTAT

SSPxCON1

SSPxCON2

SSPxCON3

SSPxADD

SSPxBUF

SSPxMSK

I2C制御ライブラリ