EL BUS INTER-INTEGRATED CIRCUITS I2C

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EL BUS INTER-INTEGRATED CIRCUITS I2C
El bus I2C
Microcontroladores
M.C. Carlos E. Canto Quintal
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EL BUS I2C
El bus I2C
Microcontroladores

• Para simplificar la interconexión de dispositivos
  al microprocesador, Philips desarrolló un
  sencillo bus bidireccional basado en dos hilos
  por el que se trasmiten los datos vía serie y lo
  llamó El Bus I2C.
• EL Bus I2C (Inter- Integrated Circuits) fue
  desarrollado al principio de los 80s. Su
  propósito original fue el de proporcionar una
  manera fácil de conectar un CPU a los chips
  periféricos en un equipo de TV.
• EL PROBLEMA A RESOLVER
• Los dispositivos periféricos en sistemas
  embebidos se conectan al mControlador como
  dispositivos de E/S mapeados en memoria usando
  las líneas paralelas del bus de dirección y de
  datos. Esto produce una gran cantidad de pistas
  en el PCB para enrutar las líneas de direcciones
  y de datos, sin mencionar un número de
  decodificadores de direcciones y lógica adicional
  para conectar todo.
• Muchas líneas de control implican que el sistema
  sea más susceptible a perturbaciones por
  Interferencia Electromagnética (EMI) y Descarga
  Electrostática (ESD).

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Las características más importantes del bus I2C
son  
El Bus I2C
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• Comunicación serial, utilizando un conductor para
  manejar el timming (SCL) (pulsos de reloj) y otro
  para intercambiar datos (SDA), que transportan
  información entre los dispositivos conectados al
  bus.
• Las líneas SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock)
  etán conectadas a la fuente de alimentación a
  través de las resistencias de pull-up. Cuando el
  bus está libre, ambas líneas están en nivel alto.
• Los dispositivo puede ser considerado como
  Mastero (Master) o esclavo (Slave).
• El Maestro es el dispositivo que inicia la
  transferencia en el bus y genera la señal de
  Clock.
• El Slave (esclavo) es el dispositivo
  direccionado.

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Transmisión de bits
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• Los bits de datos van por SDA
• Por cada bit de información es necesario un
  pulso de SCL
• Los datos sólo pueden cambiar cuando SCL está a
  nivel bajo

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El bus I2C
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• Los datos transitan en la bajada del reloj
• El dato es recibido en el borde de bajada del
  reloj
• El bit más significativo se envía primero
• El nodo que recibe debe manejar un acknowledge
  (bajo en SDA) después de completado el byte
• El nodo maestro siempre genera el reloj

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El bus I2C
Microcontroladores
Las características más importantes del bus I2C
son  
Cada dispositivo es reconocido por una única
dirección (si es un microcontrolador, LCD,
memoria o teclado) y cualquiera puede operar como
transmisor o receptor de datos, dependiendo de la
función del dispositivo. Un display es solo un
receptor de datos mientras que una memoria recibe
y transmite datos.
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El bus I2C
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Las características más importantes del bus I2C
son  

• Trasferencia de datos
• Los datos y direcciones que se transmiten por SDA
  son de 8 bits.
• Tras cada bloque debe recibirse una señal de
  reconocimiento.

.
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El bus I2C
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Las características más importantes del bus I2C
son  

• La cantidad de dispositivos que se pueden
  conectar al bus está limitada, solamente, por la
  máxima capacidad permitida de 400 pF.
• El bus permite la conexión de varios Masters, ya
  que incluye un detector de colisiones.
• El protocolo de transferencia de datos y
  direcciones posibilita diseñar sistemas
  completamente definidos por software.

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El bus I2C
Microcontroladores
Las características más importantes del bus I2C
son  

• La especificación original, o modo de estandar,
  fue para transferencia de datos hasta 100 Kbps.
• El bus serial I2C ha sido extendido para soportar
  velocidades de hasta 3.4 Mbits/s. Combinado con
  una función de desplazamiento del nivel de
  voltaje, en modo High-speed (Hs-mode) ofrece una
  solución ideal para los sistemas de tecnología
  mezclada, donde las altas velocidades y la
  variedad de voltajes (5 V, 3 V o menor) son
  comúnmente usados.
• El reloj determina la velocidad de transmisión
  de los datos.

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Los modos de transferencia de datos del bus I2C
El bus I2C
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Las características más importantes del bus I2C
son  

• Modo Estándar (S-mode) aproximadamente a 100
  kBits/Seg.
• Modo Rápido (F-mode) aproximadamente a
  400kbits/Seg.
• Modo Alta velocidad (Hs-mode) mas de 3,4
  Mbits/Seg.

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Definiciones o términos utilizados en relación
con las funciones del bus I2C
El bus I2C
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• Maestro (Master) Dispositivo que determina la
  temporización y la dirección del tráfico de datos
  en el bus. Es el único que aplica los pulsos de
  reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios
  dispositivos maestros a un mismo bus la
  configuración obtenida se denomina
  "multi-maestro".
• Esclavo (Slave) Cualquier dispositivo conectado
  al bus incapaz de generar pulsos de reloj.
  Reciben señales de comando y de reloj proveniente
  del dispositivo maestro.
• Bus Desocupado (Bus Free) Estado en el cual
  ambas líneas (SDA y SCL) están inactivas,
  presentando un estado lógico alto. Unicamente en
  este momento es cuando un dispositivo maestro
  puede comenzar a hacer uso del bus.
• Comienzo (Start) Sucede cuando un dispositivo
  maestro hace ocupación del bus, generando esta
  condición. La línea de datos (SDA) toma un estado
  bajo mientras que la línea de reloj (SCL)
  permanece alta.
• Parada (Stop) Un dispositivo maestro puede
  generar esta condición dejando libre el bus. La
  línea de datos toma un estado lógico alto
  mientras que la de reloj permanece también en ese
  estado.

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Definiciones o términos utilizados en relación
con las funciones del bus I2C
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• Dato Válido (Valid Data) Sucede cuando un dato
  presente en la línea SDA es estable mientras la
  línea SCL está a nivel lógico alto.
• Formato de Datos (Data Format) La transmisión de
  datos a través de este bus consta de 8 bits de
  datos (ó 1 byte). A cada byte le sigue un noveno
  pulso de reloj durante el cual el dispositivo
  receptor del byte debe generar un pulso de
  reconocimiento, conocido como ACK (del inglés
  Acknowledge). Esto se logra situando la línea de
  datos a un nivel lógico bajo mientras transcurre
  el noveno pulso de reloj.
• Dirección (Address) Cada dispositivo diseñado
  para funcionar en este bus dispone de su propia y
  única dirección de acceso, que viene
  pre-establecida por el fabricante. Hay
  dispositivos que permiten establecer externamente
  parte de la dirección de acceso. Esto permite que
  una serie del mismo tipo de dispositivos se
  puedan conectar en un mismo bus sin problemas de
  identificación. La dirección 00 es la denominada
  "de acceso general", por la cual responden todos
  los dispositivos conectados al bus.
• Lectura/Escritura (Bit R/W) Cada dispositivo
  dispone de una dirección de 7 bits. El octavo bit
  (el menos significativo ó LSB) enviado durante la
  operación de direccionamiento corresponde al bit
  que indica el tipo de operación a realizar. Si
  este bit es alto el dispositivo maestro lee
  información proveniente de un dispositivo
  esclavo. En cambio, si este bit fuese bajo el
  dispositivo maestro escribe información en un
  dispositivo esclavo.

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Terminología básica del Bus I2C
El bus I2C
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Términos Descripción
Transmisor El dispositivo que envía datos al Bus
Receptor El dispositivo que recibe datos desde el Bus
Master (Maestro) El dispositivo que inicia una transferencia, genera las señales del reloj y termina un envío de datos
Slave (Esclavo) El dispositivo direccionado por un master
Multi-Master Mas de un master puede controlar el bus al mismo tiempo sin corrupción de los mensajes
Arbitraje Procedimiento que asegura que si uno o mas master simultáneamente deciden controlar el Bus solo uno es permitido a controlarlo y el mensaje saliente no es deteriorado
Sincronización Procedimiento para sincronizar las señales del reloj de dos o mas dispositivos
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Respaldo Tecnológico
El bus I2C
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• Tanto Philips como como otros fabricantes de
  dispositivos compatibles con I2C disponen de una
  amplia gama de circuitos integrados, incluyendo
  memorias RAM y EEPROM, microcontroladores,
  puertos de E/S, codificadores DTMF, tranceptores
  IR, conversores A/D y D/A, relojes de tiempo
  real, calendarios, etc
• Dado que no siempre se requiere alta velocidad de
  transferencia de datos este bus es ideal para
  sistemas donde es necesario manejar información
  entre muchos dispositivos y, al mismo tiempo, se
  requiere poco espacio y líneas de circuito
  impreso. Por ello es común ver dispositivos I2C
  en video grabadoras, sistemas de seguridad,
  electrónica automotriz, televisores, equipos de
  sonido y muchas otras aplicaciones más.

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El bus I2C
Microcontroladores
Respaldo Tecnológico

• Incluso, y gracias a  que el protocolo es lo
  suficientemente simple, usualmente se ven
  dispositivos I2C insertados en sistemas
  microcontrolados que no fueron diseñados con
  puertos I2C, siendo el protocolo generado por el
  firmware.
• También hay dispositivos de adaptación que
  permiten conectar buses originalmente paralelos a
  sistemas I2C. Tal es el caso del chip PCD 8584 de
  Philips el cual incorpora en el chip todo lo
  necesario para efectuar dicha tarea.
• Hay, además, circuitos integrados cuya única
  misión es adaptar los niveles presentes en el bus
  I2C y TTL, permitiendo resolver fácil y
  rápidamente la interconexión de dispositivos de
  dicha familia con el I2C.

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El protocolo del Bus I2C
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Formato del Mensaje
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• Un protocolo orientado a BIT
• Handshaking
• Bidireccional

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Maestro envía datos a un esclavo
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Transferencia de datos
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• El Maestro genera la condición de Start.
• Cada palabra puesta en el bus SDA debe tener 8
  bits, la primera palabra transferida contiene  la
  dirección del Esclavo seleccionado.
• Tras el envío del start o inicio, en los
  siguientes 7 bits se codifica la dirección del
  dispositivo. Y el octavo bit indica si se hace
  lectura(1) o escritura(0).
• Después de cada 8 bits, el master debe esperar
  una señal de reconocimiento como respuesta por
  parte del esclavo, lee el estado de la línea SDA,
  si vale 0 (impuesto por el esclavo), el proceso
  de transferencia continúa. Si vale 1, indica que
  el circuito direccionado no valida la
  comunicación, entonces, el Maestro genera un bit
  de stop para liberar el bus I2C.
• Este acuse de recibo se denomina ACK
  (acknowledge) y es una parte importante del
  protocolo I2C.
• Al final de la transmisión, el Maestro genera la
  condición de Stop y libera el bus I2C, las líneas
  SDA y SCL pasan a estado alto.

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El bus I2C
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Inicio de transmisión La transmisión la inicia
el maestro Flanco de bajada en SDA con SCL a
nivel alto Cuando nadie accede al bus hay un
nivel alto en SCL y SDA
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Condiciones de START y STOP
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START la línea SDA cae a cero mientras SCL
permanece en nivel alto. A partir de este momento
comienza la transferencia de datos.
Una vez finalizada la comunicación se debe
informar de esta situación (condición de Stop).
La línea SDA pasa a nivel alto mientras SCL
permanece en estado alto.
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Start y Stop
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• Start SDA baja cuando el reloj (SCL) es alto
• Stop SDA sube cuando SCL es alto
• (Normalmente no hay transición cuando el reloj es
  alto)

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Enviando a un Esclavo
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Eventos del bus I2C leyendo un Acknowledge de
un Esclavo
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• Cuando se ha transmitido al bus un byte de
  dirección o de dato éste debe ser RECONOCIDO
  por el o los esclavos.
• En el caso de una dirección Si la dirección
  concuerda con la propia entonces ese esclavo y
  solamente ese esclavo enviará un acuse de
  recibido de la dirección con un ACK. También se
  responde con un ACK en el caso de un byte
  transmitido a un esclavo ya direccionado . El
  esclavo que va a dar un ACK pone a bajo la línea
  SDA inmediatamente después de la recepción del
  octavo bit, o, en caso de un byte de dirección ,
  inmediatamente después de la evaluación de su
  dirección.
• Esto significa que tan pronto como el maestro
  baja SCL para completar la transmisión del bit
  (1), SDA será puesto a bajo por el esclavo (2).
• El maestro ahora emite un pulso de reloj en la
  línea SCL (3) El esclavo liberará la línea SDA
  hasta la terminación de este pulso (4) de reloj.
•  

El Bus queda disponible de nuevo para que el
maestro continúe enviando datos o generar una
condición de STOP. En caso de que un dato vaya a
ser escrito al esclavo, este ciclo debe
completarse antes de que se genere una condición
STOP. El esclavo estará bloqueando el bus (la
línea SDA es mantenida en bajo por el esclavo)
hasta que el maestro haya generado un pulso de
reloj en la línea SCL.
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Reconocimiento (Acknowledge)
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• Reconocimiento
• El bit de reconocimiento es obligatorio en la
  transferencia de datos. El pulso de reloj
  correspondiente al bit de reconocimiento (ACK) es
  generado por el Master. El Transmisor desbloquea
  la línea SDA ("1") durante el pulso de
  reconocimiento. El receptor debe poner a "0" la
  línea SDA durante el pulso ACK de modo que siga
  siendo "0" durante el tiempo que el master genera
  el pulso "1" de ACK.
• Normalmente un receptor cuando ha sido
  direccionado esta obligado a generar un ACK
  después de que cada byte a sido recibido.
• Cuando un dispositivo esclavo no genera el bit
  ACK (porque esta haciendo otra cosa y no puede
  atender el Bus) debe mantener el esclavo la línea
  SDA a nivel "1" durante el bit ACK. El Master
  entonces puede generar una condición de STOP
  abortando la transferencia de datos o repetir la
  condición de Inicio enviando una nueva
  transferencia de datos.
• Si un Esclavo-receptor que esta direccionado no
  desea recibir mas bytes, el master debe detectar
  la situación y no enviar mas bytes. Esto se
  indica porque el esclavo no genera el bit ACK en
  el primer byte que sigue. El esclavo pone la
  línea SDA a "1" lo que es detectado por el Master
  el cual genera la condición de Stop o repite la
  condición de Inicio.
• Si un Master-receptor esta recibiendo datos de un
  Esclavo-transmisor debe generar un bit ACK tras
  cada byte recibido de transmisor, para finalizar
  la transferencia de datos no debe generar el ACK
  tras el ultimo byte enviado por el esclavo. El
  esclavo-transmisor debe permitir desbloquear la
  línea SDA generando el master la condición de
  Stop o de Inicio.

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Transferencia completa
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RELACIÓN ENTRE LOS NIVELES DE SDA Y SCL
El bus I2C
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• Todos los maestros deben generar una subida en
  la línea SCL (2), leer el nivel en SDA (3) y
  generar una caida en la línea SCL (4).
• El Esclavo no debe cambiar el dato durante el
  tiempo que SCL es alto ( de lo contrario podría
  generarse una condición START o STOP imprevista)
  .
• Durante (1) y (5), el esclavo puede cambiar el
  estado de la línea SDA.
•  En total está secuencia debe ser realizada 8
  veces para completar el byte dato.

• Los bytes siempre son transmitidos con el Bit Más
  Significativo primero.

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Maestro lee datos de un esclavo
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Eventos del Bus I2C Recibiendo un byte de un
Esclavo
El bus I2C
Microcontroladores
Una vez que el esclavo ha sido direccionado y el
esclavo ha reconocido ésto, el maestro puede
recibir un byte del esclavo si el bit R/W en la
dirección se puso en modo READ ( puesto a 1)
La sintaxis del protocolo es la misma que cuando
se transmite un byte a un esclavo, excepto que
ahora no se le permite al maestro tocar la línea
SDA. Previo al envió por la línea SCL,de los 8
pulsos de reloj necesarios para el envió del byte
, el maestro libera la línea SDA. Ahora el
esclavo tomará el control de esta línea. La
línea se irá a alto si se desea transmitir un
1 o si el esclavo desea mandar un 0, se
mantiene en bajo.
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El bus I2C
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• Para operar un esclavo sobre el Bus I2C solo son
  necesarios seis simples códigos, suficientes para
  enviar o recibir información.
• Un bit de Inicio
• 7-bit o 10-bit de direccionamiento
• Un bit R/W que define si el esclavo es transmisor
  o receptor
• Un bit de reconocimiento
• Mensaje dividido en bytes
• Un bit de Stop

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El bus I2C
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Esquema básico de conexiones

• Las líneas SDA y SCL son del tipo drenador
  abierto, similares a las de colector abierto pero
  asociadas a un transistor de efecto de campo (ó
  FET)..

Se deben poner en estado alto (conectar a la
alimentación por medio de resistores Pull-Up)
para construir una estructura de bus tal que se
permita conectar en paralelo múltiples entradas y
salidas
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El bus I2C
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Esquema básico de conexiones
Características de una conexión en colector
abierto Permite conectar varias fuentes de
datos a un mismo hilo Nivel alto en el bus Si
ningún dispositivo accede al bus Si ningún
dispositivo transmite un cero Nivel bajo en el
bus Si un dispositivo pone un nivel bajo Si
dos dispositivos escriben a la vez siempre
prevalecen los ceros AND cableada Si un
dispositivo escribe un nivel alto pero lee un
cero indica que otro dispositivo está también
accediendo al b
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El bus I2C
Microcontroladores
Esquema básico de conexiones
Inconvenientes de la conexión en colector
abierto Las capacidades de la línea se cargan
a través del pull-up Se puede solucionar
utilizando una carga activa en lugar de un
resistor
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Esquema básico de conexiones
El bus I2C
Microcontroladores
Las dos líneas de comunicación disponen de
niveles lógicos altos cuando están inactivas. De
entrada el número de dispositivos que se puede
conectar al bus es ilimitado, pero las líneas
tienen una especificación de capacidad de carga
máxima de 400pF.
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Terminación de Bus
El bus I2C
Microcontroladores
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El bus I2C
El Bus I2C
Microcontroladores
Ejemplo de una configuración del bus I2C usando
dos microcontroladores
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Configuración Multi-Maestro
El bus I2C
Microcontroladores
Cuando el MCU1 emite una condición start e enviá
una dirección, todos los esclavos escucharán (
incluyendo a MCU2 el cual en ese momento es
considerado un esclavo también) . Si la dirección
no concuerda con la dirección del CPU2, este
dispositivo debe mantenerse de regreso a
cualquier actividad hasta que el bus se desocupe
de nuevo después de una condición stop. As long
as the two MCU's monitor what is going on on the
bus (start and stop) and as long as they are
aware that a transaction is going on because the
last issued command was not a STOP, there is no
problem. Let's assume one of the MCU's missed the
START condition and still thinks the bus is idle,
or it just came out of reset and wants to start
talking on the bus which could very well happen
in a real-life scenario. This could lead to
problems.
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Configuración Multi-Maestro

• Protocolo multimaestro
• Con dos maestros en el bus existe posibilidad
  de conflicto
• Arbitración procedimiento para asegurar que sólo
  un maestro tiene el
• control del bus en un instante
• Si un maestro está utilizando el bus no puede
  ser interrumpido por otro.
• Desde START hasta STOP
• Si dos maestros intentan comenzar a utilizar el
  bus a la vez
• Conexión del bus en colector abierto ??
  prevalecen los ceros
• A la vez que ponen datos en el bus, escuchan la
  línea.
• Si un maestro está intentando enviar un nivel
  alto y lee un nivel bajo
• Existe otro maestro utilizando el bus
• Deja de transmitir esperando que la línea quede
  libre (condición de STOP)

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Ejemplo de aplicaciones del Bus I2C
El bus I2C
Microcontroladores
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El bus I2C
Microcontroladores
Ejemplo de aplicaciones del Bus I2C
Conexión de una EEPROM serial y un Reloj de
tiempo real, con bus I2C, para su uso en un
lector de smartcards
LECTOR DE SMARTCARDS
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El bus I2C
El bus I2C
Microcontroladores
Ejemplo de aplicaciones del Bus I2C
Conexión de medidores ultrasónico de distancias
a un mC Basic Stamp 2 usando el bus I2C.
El módulo SRF10 es un medidor ultrasónico de
distancias miniatura para robots que representa
la ultima generación en sistemas de medidas de
distancias por sonar. El sensor es capaz de
detectar objetos a una distancia de 6 m con la
facilidad de conectarse al microcontrolador
mediante un bus I2C, por lo que se pueden
conectar cuantos sensores sean necesarios en el
mismo bus. Con una alimentación unica de 5V,
solo requiere 15 mA, para funcionar y 3mA
mientras esta en reposo.
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El bus I2C
El bus I2C
Microcontroladores
Ejemplo de aplicaciones del Bus I2C
Para el programador, el sensor SRF10 se comporta
de la misma manera que las EEPROM de las series
24xx, con la excepción de que la dirección I2C es
diferente. La dirección por defecto de fábrica
del sensor es 0xE0. El usuario puede cambiar esta
dirección con 16 direcciones diferentes E0, E2,
E4, E6, E8, EA, EC, EE, F0, F2, F4, F6, F8, FA,
FC o FE, por lo que es posible utilizar hasta 16
sensores sobre un mismo bus I2C. Además de las
direcciones anteriores, todos los sonares
conectados al bus I2C responderán a la dirección
0 -al ser la dirección de atención general. Esto
significa que escribir un comando de medición de
la distancia para la dirección 0 de I2C (0x00)
iniciará las mediciones en todos los sensores al
mismo tiempo.
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El bus I2C
Microcontroladores
Ejemplo de aplicaciones del Bus I2C
Esquema del circuito para la conexión de dos
sensores ultrasónicos SRF08 al controlador Basic
Stamp 2
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Dispositivos I2C con el PICAXE
El bus I2C
Microcontroladores
Instrucciones en Basic del PICAXE par usar el bus
I2C

• I2CSLAVE
• Sintáxis I2CSLAVE slave, speed, address
• - Slave es la dirección i2c del esclavo
• - Speed es la palabra i2cfast (400kHz) o
  i2cslow (100kHz) a 4Mhz
• Address es la palabra i2cbyte o i2cword
• Función
• El comando i2cslave es usado para configurar las
  terminales PICAXE para usar el I2C y para
  definir el tipo de dispositivo I2C a ser
  direccionado

WRITEI2C Sintáxis WRITEI2Clocation,(variable,..
.) - Location es una variable /constante que
especifica la dirección de un byte o palabra -
Variable(s) contiene el byte(s) de dato que se va
a escribir Función Escribe a la localidad I2C el
contenido de la variable(s).
READI2C Sintáxis READI2C location,(variable,...)
- Location es una variable /constante que
especifica la dirección de un byte o palabra -
Variable(s) recibe el byte(s) leido(s). Funcción
Lee la localidad I2C contenida en la(s)
variable(s).
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El bus I2C
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El bus I2C
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El bus I2C
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