โมดูลมัลติเพล็กเซอร์ TCA9548A I2C - ด้วย Arduino และ NodeMCU: 11 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

คุณเคยอยู่ในสถานการณ์ที่คุณต้องต่อเซ็นเซอร์ I2C สอง สามตัวขึ้นไปกับ Arduino ของคุณหรือไม่ เพียงเพื่อให้ทราบว่าเซ็นเซอร์มีที่อยู่ I2C คงที่หรือเหมือนกัน นอกจากนี้ คุณไม่สามารถมีอุปกรณ์สองเครื่องที่มีที่อยู่เดียวกันบนพิน SDA/SCL เดียวกันได้!

แล้วคุณมีทางเลือกอะไรบ้าง? ใส่ทั้งหมดลงในมัลติเพล็กเซอร์ TCA9548A 1-to-8 I2C เพื่อให้พวกเขาทั้งหมดพูดคุยกันบนรถบัสคันเดียวกัน! TCA9548A Breakout ช่วยให้สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์ I2C หลายเครื่องที่มีที่อยู่เดียวกัน ทำให้ง่ายต่อการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์เหล่านี้

ขั้นตอนที่ 1: ข้อกำหนดฮาร์ดแวร์

สำหรับบทช่วยสอนนี้เราต้องการ:

- เขียงหั่นขนม

- TCA9548A I2C มัลติเพล็กเซอร์

- Arduino Uno/Nano อะไรก็ได้ที่สะดวก

- NodeMCU

- จอแสดงผล OLED 0.91 & 0.96 I2C ไม่กี่ตัว

- สายจัมเปอร์และ

- สาย USB สำหรับอัพโหลดโค้ด

ขั้นตอนที่ 2: หัวข้อที่ครอบคลุม

เราจะเริ่มการสนทนาโดยทำความเข้าใจพื้นฐานของเทคโนโลยี I2C

จากนั้นเราจะมาเรียนรู้เกี่ยวกับ TCA9548A Multiplexer และวิธีที่มาสเตอร์และสเลฟส่งและรับข้อมูลโดยใช้เทคโนโลยี I2C จากนั้นเราจะตรวจสอบว่าเราสามารถตั้งโปรแกรมและใช้มัลติเพล็กเซอร์ในโครงการของเราโดยใช้ Arduino และ NodeMCU ได้อย่างไร ต่อไปผมจะแสดงให้คุณเห็น การสาธิตโดยใช้จอแสดงผล I2C OLED จำนวน 8 จอ และสุดท้ายเราจะจบการสอนโดยพูดถึงข้อดีและข้อเสียของ TCA9548A Multiplexer

ขั้นตอนที่ 3: พื้นฐานของ I2C Bus

Inter-integrated Circuit เด่นชัดว่า I-squared-C (I²C) หรือ I2C เป็นเทคโนโลยีบัสสองสาย (จริง ๆ แล้วมี 4 สายเพราะคุณต้อง VCC และกราวด์ด้วย) ที่ใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างโปรเซสเซอร์และเซ็นเซอร์หลายตัว

สองสายคือ:

* SDA - ข้อมูลอนุกรม (สายดาต้า) และ

* SCL - นาฬิกาอนุกรม (สายนาฬิกา)

โปรดจำไว้ว่า ทั้งสองบรรทัดนี้เป็น 'ซิงโครนัส' 'แบบสองทิศทาง' 'เปิดท่อระบายน้ำ' และ 'ดึงขึ้นด้วยตัวต้านทาน'

เทคโนโลยีบัส I2C ได้รับการออกแบบโดย Philips Semiconductors ในช่วงต้นยุค 80 เพื่อให้ง่ายต่อการสื่อสารระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งอยู่บนแผงวงจรเดียวกัน

ด้วย I2C คุณสามารถเชื่อมต่อหลายทาสกับมาสเตอร์ตัวเดียว (เช่น SPI) หรือคุณสามารถมีต้นแบบหลายตัวที่ควบคุมทาสเดี่ยวหรือหลายตัว ทั้งเจ้านายและทาสสามารถส่งและรับข้อมูลได้ ดังนั้น อุปกรณ์บนบัส I2C สามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งต่อไปนี้:

* การส่งหลัก – โหนดหลักกำลังส่งข้อมูลไปยังสเลฟ* รับมาสเตอร์ – โหนดหลักกำลังรับข้อมูลจากสเลฟ

* การส่งสเลฟ – โหนดสเลฟกำลังส่งข้อมูลไปยังมาสเตอร์

* รับสเลฟ – โหนดสเลฟกำลังรับข้อมูลจากมาสเตอร์

I2C คือ 'โปรโตคอลการสื่อสารแบบอนุกรม' 'ระยะทางสั้น' ดังนั้นข้อมูลจึงถูกถ่ายโอน 'แบบทีละบิต' ตามสายเดี่ยวหรือสาย SDA เอาต์พุตของบิตซิงโครไนซ์กับการสุ่มตัวอย่างบิตโดยสัญญาณนาฬิกา 'แชร์' ระหว่างมาสเตอร์และสเลฟ สัญญาณนาฬิกาถูกควบคุมโดยต้นแบบเสมอ อาจารย์สร้างนาฬิกาและเริ่มสื่อสารกับทาส

สรุปว่า >

จำนวนสายที่ใช้: 2

ซิงโครนัสหรืออะซิงโครนัส: ซิงโครนัส

อนุกรมหรือขนาน: อนุกรม

สัญญาณนาฬิกาควบคุมโดย: Master Node

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้: +5 V หรือ +3.3 V

จำนวน Masters สูงสุด: Unlimited

จำนวนทาสสูงสุด: 1008

ความเร็วสูงสุด: โหมดมาตรฐาน = 100kbps

โหมดเร็ว = 400kbps

โหมดความเร็วสูง = 3.4 Mbps

โหมดเร็วพิเศษ = 5 Mbps

ขั้นตอนที่ 4: โมดูลมัลติเพล็กเซอร์ TCA9548A I2C

TCA9548A เป็นมัลติเพล็กเซอร์ I2C แบบแปดช่องสัญญาณ (แบบสองทิศทาง) ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมอุปกรณ์ I2C แยกกันแปดตัวโดยบัส I2C โฮสต์เดียว คุณเพียงแค่ต้องต่อเซ็นเซอร์ I2C เข้ากับบัสมัลติเพล็กซ์ SCn / SDn ตัวอย่างเช่น หากต้องการใช้จอแสดงผล OLED ที่เหมือนกันแปดจอในแอปพลิเคชันหนึ่ง จอแสดงผลแต่ละจอสามารถเชื่อมต่อที่แต่ละช่องสัญญาณเหล่านี้ได้: 0-7

Multiplexer เชื่อมต่อกับสาย VIN, GND, SDA และ SCL ของไมโครคอนโทรลเลอร์ กระดานฝ่าวงล้อมยอมรับ VIN จาก 1.65v ถึง 5.5v ทั้งสาย SDA และ SCL อินพุตเชื่อมต่อกับ VCC ผ่านตัวต้านทานแบบดึงขึ้น 10K (ขนาดของตัวต้านทานแบบดึงขึ้นจะถูกกำหนดโดยปริมาณความจุบนสาย I2C) มัลติเพล็กเซอร์รองรับโปรโตคอล I2C ทั้งแบบปกติ (100 kHz) และเร็ว (400 kHz) พิน I/O ทั้งหมดของ TCA9548A มีความทนทาน 5 โวลต์ และยังใช้ในการแปลแรงดันไฟฟ้าสูงไปต่ำหรือต่ำไปสูง

เป็นความคิดที่ดีที่จะใส่ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นในทุกช่องสัญญาณของ TCA9548A แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากันก็ตาม สาเหตุเป็นเพราะสวิตช์ NMOS ภายใน มันส่งไฟฟ้าแรงสูงได้ไม่ดี ในทางกลับกัน มันส่งแรงดันต่ำได้ดีมาก TCA9548A อาจใช้สำหรับการแปลแรงดันไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าบัสที่แตกต่างกันในแต่ละคู่ SCn/SDn เพื่อให้ชิ้นส่วน 1.8-V, 2.5-V หรือ 3.3-V สามารถสื่อสารกับชิ้นส่วน 5-V ได้ ทำได้โดยใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นภายนอกเพื่อดึงบัสขึ้นไปยังแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับมาสเตอร์และแต่ละแชนเนลรอง

หากไมโครคอนโทรลเลอร์ตรวจพบข้อขัดแย้งของบัสหรือการทำงานที่ไม่เหมาะสมอื่นๆ คุณสามารถรีเซ็ต TCA9548A ได้โดยใช้ค่าต่ำไปที่พิน RESET

ขั้นตอนที่ 5:

TCA9548 ช่วยให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวเดียวสามารถสื่อสารกับ '64 เซ็นเซอร์' ทั้งหมดด้วยที่อยู่ I2C เดียวกันหรือต่างกันโดยกำหนดช่องสัญญาณที่ไม่ซ้ำกันให้กับบัสย่อยของเซ็นเซอร์แต่ละตัว

เมื่อเราพูดถึงการส่งข้อมูลมากกว่า 2 สายไปยังอุปกรณ์หลายเครื่อง เราจำเป็นต้องมีวิธีจัดการกับมัน เหมือนกับบุรุษไปรษณีย์ที่เดินบนถนนเส้นเดียวและส่งซองไปรษณีย์ไปยังบ้านต่างๆ กัน เพราะมีที่อยู่ที่แตกต่างกันเขียนไว้

คุณสามารถเชื่อมต่อมัลติเพล็กเซอร์เหล่านี้ได้สูงสุด 8 รายการบนที่อยู่ 0x70-0x77 เพื่อควบคุม 64 ของชิ้นส่วนที่อยู่ I2C เดียวกัน โดยการเชื่อมต่อบิตที่อยู่สามบิต A0, A1 และ A2 กับ VIN คุณจะได้รับที่อยู่ที่แตกต่างกัน นี่คือลักษณะของไบต์ที่อยู่ของ TCA9548A 7 บิตแรกรวมกันเพื่อสร้างที่อยู่สเลฟ บิตสุดท้ายของที่อยู่รองกำหนดการดำเนินการ (อ่านหรือเขียน) ที่จะดำเนินการ เมื่อมีค่าสูง (1) การอ่านจะถูกเลือก ขณะที่ค่าต่ำ (0) จะเลือกการดำเนินการเขียน

ขั้นตอนที่ 6: วิธีที่อาจารย์ส่งและรับข้อมูล

ต่อไปนี้เป็นขั้นตอนทั่วไปสำหรับมาสเตอร์ในการเข้าถึงอุปกรณ์สเลฟ:

1. หากต้นแบบต้องการส่งข้อมูลไปยังทาส (เขียน):

- ตัวส่งสัญญาณหลักส่งเงื่อนไข START ตามด้วยที่อยู่ของตัวรับสเลฟและ R/W ตั้งค่าเป็น 0

- ตัวส่งสัญญาณหลักส่งข้อมูลใน '8-bit control registers' ไปยังตัวรับสเลฟเมื่อสเลฟยอมรับว่ามันพร้อม

– ตัวส่งสัญญาณหลักยุติการถ่ายโอนด้วยเงื่อนไข STOP

2. หากอาจารย์ต้องการรับหรืออ่านข้อมูลจากทาส (READS):

– Master-receiver ส่งเงื่อนไข START ตามด้วย address ของ slave-receiver และ R/W ตั้งค่าเป็น 1

– ผู้รับหลักส่งการลงทะเบียนที่ร้องขอเพื่ออ่านไปยังเครื่องส่งทาส

– ตัวรับหลักรับข้อมูลจากเครื่องส่งสเลฟ

- เมื่อได้รับไบต์ทั้งหมดแล้ว Master จะส่งสัญญาณ NACK ไปยังทาสเพื่อหยุดการสื่อสารและปล่อยบัส

- ผู้รับหลักยุติการโอนโดยมีเงื่อนไข STOP

รถบัสจะถือว่าไม่ได้ใช้งานหากทั้งสาย SDA และ SCL อยู่ในระดับสูงหลังจากเงื่อนไข STOP

ขั้นตอนที่ 7: รหัส

ตอนนี้ Int รหัสให้เริ่มต้นด้วยการรวมไลบรารี "Wire" และโดยการกำหนดที่อยู่มัลติเพล็กเซอร์

#รวม "Wire.h"

#รวม "U8glib.h"

#define MUX_Address 0x70 // ที่อยู่ตัวเข้ารหัส TCA9548A

จากนั้นเราต้องเลือกพอร์ตที่เราต้องการจะสื่อสารและส่งข้อมูลโดยใช้ฟังก์ชันนี้:

เป็นโมฆะ selectI2Cchannels (uint8_t i) {

ถ้า (i > 7) กลับมา;

Wire.beginTransmission(MUX_Address);

Wire.write(1 << ผม);

Wire.endTransmission();

}

ต่อไปเราจะเริ่มต้นการแสดงผลในส่วนการตั้งค่าโดยเรียก "u8g.begin();" สำหรับแต่ละจอแสดงผลที่แนบมากับ MUX "tcaselect(i);"

เมื่อเริ่มต้นแล้ว เราสามารถทำสิ่งที่ต้องการได้เพียงแค่เรียกใช้ฟังก์ชัน "tcaselect(i);" โดยที่ "i" คือค่าของบัสมัลติเพล็กซ์แล้วส่งข้อมูลและนาฬิกาตามลำดับ

ขั้นตอนที่ 8: สแกนเนอร์ I2C

ในกรณีที่คุณไม่แน่ใจเกี่ยวกับที่อยู่อุปกรณ์ของ I2C shield ของคุณ ให้รันโค้ด 'I2C Scanner' ที่แนบมาเพื่อค้นหาที่อยู่ฐานสิบหกของอุปกรณ์ของคุณ เมื่อโหลดไปยัง Arduino ภาพสเก็ตช์จะสแกนเครือข่าย I2C โดยแสดงที่อยู่ที่ตอบสนอง

ขั้นตอนที่ 9: การเดินสายไฟและการสาธิต

การเดินสายไฟ:

เริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อมัลติเพล็กเซอร์กับบอร์ด NodeMCU เชื่อมต่อ:

VIN ถึง 5V (หรือ 3.3V)

GND ลงกราวด์

SDA เป็น D2 และ

หมุด SCL ถึง D1 ตามลำดับ

สำหรับบอร์ด Arduino ให้เชื่อมต่อ:

VIN ถึง 5V (หรือ 3.3V)

GND ลงกราวด์

SDA ถึง A4 และ

หมุด SCL ถึง A5 ตามลำดับ

เมื่อ MUX เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์แล้ว คุณเพียงแค่ต้องเชื่อมต่อเซ็นเซอร์กับคู่ SCn / SDn

ตอนนี้ มาดูการสาธิตอย่างรวดเร็วนี้ ซึ่งฉันได้เชื่อมต่อจอแสดงผล OLED จำนวน 8 จอกับ TCA9548A Multiplexer เนื่องจากจอแสดงผลเหล่านี้ใช้การสื่อสาร I2C จึงสื่อสารกับ Arduino โดยใช้เพียง 2 พิน

ขั้นตอนที่ 10: ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

* การสื่อสารต้องใช้เพียงสองสายรถเมล์ (สาย)

* มีความสัมพันธ์แบบมาสเตอร์/สเลฟอย่างง่ายระหว่างส่วนประกอบทั้งหมด

* ไม่มีข้อกำหนดอัตราบอดที่เข้มงวดเช่น RS232 ต้นแบบสร้างนาฬิกาบัส

* ฮาร์ดแวร์มีความซับซ้อนน้อยกว่า UART

* รองรับเจ้านายหลายคนและทาสหลายคน

* ACK/NACK bit เป็นการยืนยันว่าแต่ละเฟรมได้รับการโอนเรียบร้อยแล้ว

* I2C เป็น 'มัลติมาสเตอร์บัสที่แท้จริง' ที่ให้การอนุญาโตตุลาการและการตรวจจับการชนกัน

* อุปกรณ์แต่ละชิ้นที่เชื่อมต่อกับรถบัสสามารถระบุที่อยู่ซอฟต์แวร์ได้

* อุปกรณ์ I2C ส่วนใหญ่สามารถสื่อสารได้ที่ 100kHz หรือ 400kHz

* I²C เหมาะสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ความเรียบง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำมีความสำคัญมากกว่าความเร็ว

* โปรโตคอลที่รู้จักกันดีและใช้กันอย่างแพร่หลาย

ข้อเสีย

* อัตราการถ่ายโอนข้อมูลช้ากว่า SPI

* ขนาดของ data frame ถูกจำกัดไว้ที่ 8 bits

* จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนกว่าในการปรับใช้มากกว่าเทคโนโลยี SPI