Arduino 之間的 I2C 通訊 (序) 簡單介紹

一直有興趣用不同的方式把細小的 arduino 系統組成一個大系統, 剛剛看了 幻生幻灭 大大 的 世界最小的Arduino——ATTiny13上手全攻略1A简介, 心思思想買回來試試.
初步的目標, 是用 ATTiny13 把 一般舵機改成 總線舵機.  雖然已有 PCA9685 之顃 經 i2c 通訊的控制板, 但每個舵機還是直接連到控制板上, 接線相對比較長而且混亂.  如果可以做出總線舵機的效果, 每個舵機之間以三根線連上, 可以一個一個連開去, 又可以中途分開幾個, 又或者直接連到主板.  變化比較大, 而且方便很多.  所以, 還是值得嘗試的.

在未有 ATTiny13 之前, 先研究一下 arduino 之間的 I2C 通訊吧.

在網上不難找到教學, 但很多都只是以一個 byte 通訊, 不足以滿足我的要求, 所以嘗試自己做一些簡單的應用例子, 將來或許用得著, 希望對大家有幫助.

由於網上有不少資源, 太深入的未必人人有興趣, 而且我自己也不慬, 所以, 嘗試用簡單的例子把一些重點拿出來討論.  如果說錯了什麼, 還望大家幫忙指證.

I2C 通訊的特性

首先 要了解 I2C 跟其他通訊(例如串口) 的分別

• I2C 是 master & slave 的設計
• 整個線路上只有一個 master, 其他的都是 slave
• 只有 master 可以 向 slave 進行通訊
• slave 與 slave 之間是不可以通訊的
• 只有 master 可以主動向 slave 發送資料或提出請求
• slave 只可因應 master 的請求而回傳資料, 不可以主動發送資料給 master

I2C 通訊有什麼好處?

• 可以同時以 1 master 連接多個 slave 設備 
• 速度快
• 不需另外購買通訊模塊, 可以說是完全免費的
• 只需三根線連通就可以, 不用複雜的連線

I2C 通訊有什麼缺點?

• 由於 I2C 是 master 主導, 所有 slave 板子都不能主動提出通訊要求, 亦不能跟其他 slave 通訊.  程式設定上, 就要有一個主控制板, 其他都只是分工.  
• slave 板子不能用來連接其他 i2c 設備 (除非大神們另外寫一個 Wire 庫, 用其他接口吧)

因此, 分工的時間, slave 只可以分擔非 i2c 的設備, 對於 i2c 的設備, 還是要靠 master 自己負責.
所以 master 除了要管理 slave 的分工外, 還要處理 i2c 設備.



準備功夫:

要做的 I2C 通訊, 只需要 Wire 庫就可以了 (當然, 對於大神來說, Wire 庫也可以不需要, 自己完全做出來也可以.), 所以基本上不需要再找什麼庫.

當然, 如果配合 I2Cdev 之顃的庫, 一定程度上可以簡單一點.  但為了方便大家了解, 還是用最基本的 Wire 指令.   將來大家想用什麼庫也沒限制.

我嘗試做一個 I2C 通訊系統的例子, 由簡單的一步步建立, 每一個段落的例子都可以獨立進行測試, 希望大家可以一步步了解.

由於是通訊系統,  最少要準備 兩塊 arduino 板子, 不需要是相同的, 任何組合也可以 (UNO, Nano, Mini, Mega 也沒關係).
三根杜邦線, 把 GND, A4, A5 都連上.  連接方法就是 相同的連起來.  GND-GND, A4-A4, A5-A5, 有多少塊都是接在一起就可以了.

為了方便之後的討論, 請選定一個作為 master, 其他都是 slave.  以後會用 master 板子, 及 slave 板子作稱呼.


暫定會有以下的題目, 將會一步一步發出, 完成後, 希望大家都可以做出一個簡單的 i2c 通訊系統.

(1) I2C 地址設定 及 I2C 地址掃瞄
(2) 由 master 向 slave 發送資料/發出指令 [slave 直接處理]
(3) 由 master 向 slave 發送資料/發出指令 [slave 延遲處理]
(4) 由 master 向 slave 要求資料回傳
(5) master 向 slave 要求不同資料
(6) 由 master 提供參數, 再由 slave 作出相應的回復
(7) 單片機有效傳送數據的選擇
(8) 浮點的傳送
(9) I2C 通訊實例(一) 簡單傳感數據收集 (把非 i2c 傳感變成 i2c)
(10) I2C 通訊實例(二) PM2.5 數據收集 (把較長時間的收集由 slave 完成)
(11) I2C 通訊實例(三) 總線舵機 (由 master 向 slave 發送指令)


以上只耍 (1) -  (4) 就可以了作出基本通訊, 而 (5), (6) 是加入一些簡單通訊協定, 讓 slave 有更多功能, 之後是一些實例, 用來演示 i2c 通訊的應用.

相關程式只在演示通訊的功能, 對 Wire 的錯誤完是沒有處理的, 有興趣可自己加入錯誤處理的程序.

Arduino 之間的 I2C 通訊 (1) I2C 地址設定 及 I2C 地址掃瞄

相關指令:

指令	發出耆	作用
Wire.begin([<address>]);	master / slave	啟動 Wire (由於 i2c 是用 Wire 的, 這就等同啟動 i2c 了)
Wire.beginTransmission(<address>);	master	開始對 <address> 的連線
Wire.endTransmission();	master	關閉之前的連線

i2c 地址設定

i2c address 就像是你家中的地址, 每個 slave 都有自己的地址, 由於線路上只有一個 master, 加上 slave 只可以向 master 通訊, 所以 master 是不需地址的.

設定 i2c 地址, 基本上是沒有限制的, 只要同一線路上, 沒有重複就可以了.
要設定 slave 板子的地址, 只需要執行 Wire.begin(<地址>); 而 master 因為不需要地址, 只要 Wire.begin() 就可以了,.

以下是一個 slave 設定的例子, 把 slave 板子的地址設定為 0x12, 上載到 slave 板子上去執行就可以了.

#include <Wire.h>

#define SLAVE_ADDRESS 0x12

void setup() {
  Wire.begin(SLAVE_ADDRESS);    // join I2C bus as a slave with address 0x12
}

void loop() {
}

i2c 地址掃瞄

slave 建立後, 就要看看 master 如果找到它了.
i2c scanner 可以說是 master 板子的最基本例子, 可以用作測試線路上連接了的設備的存在 (只測試存在性, 並非測試其功能).
i2c_scanner 其實也很簡單, 由 master 向所有地址發出 beginTransmission 再 endTransmission, 嘗試建立連線.  在 beignTransmission 中輸入 slave 的地址, 就可以測試該地址的裝置了.

如果 error = 0 (沒 error), 即代表這個地址有設備登記
如果 error = 4 (這是 Wire 庫的設定, 不要問我為什麼是 4), 即代表這個地址可能有設備, 但有錯誤.
否則, 就代表該地址沒有設備使用了.

以下是一個簡單的 i2c scanner 程式:

#include <Wire.h>

#define SERIAL_BAUD 9600 

void setup()
{
  Wire.begin();
 
  Serial.begin(SERIAL_BAUD);
  Serial.println("I2C Scanner started");
  Serial.println();
}
 
 
void loop()
{
  uint8_t error, i2cAddress, devCount, unCount;
 
  Serial.println("Scanning...");
 
  devCount = 0;
  unCount = 0;
  for(i2cAddress = 1; i2cAddress < 127; i2cAddress++ )
  {
    Wire.beginTransmission(i2cAddress);
    error = Wire.endTransmission();
 
    if (error == 0)
    {
      Serial.print("I2C device found at 0x");
      if (i2cAddress<16) Serial.print("0");
      Serial.println(i2cAddress,HEX);
      devCount++;
    }
    else if (error==4)
    {
      Serial.print("Unknow error at 0x");
      if (i2cAddress<16) Serial.print("0");
      Serial.println(i2cAddress,HEX);
      unCount++;
    }    
  }

  if (devCount + unCount == 0)
    Serial.println("No I2C devices found\n");
  else {
    Serial.println();
    Serial.print(devCount);
    Serial.print(" device(s) found");
    if (unCount > 0) {
      Serial.print(", and unknown error in ");
      Serial.print(unCount);
      Serial.print(" address");
    }
    Serial.println();
  }
  delay(5000);
}

在這個例子中, 應該可以得到以下的結果:

I2C Scanner started

Scanning...
I2C device found at 0x12
1 device(s) found

 I2C Scanner 是非常有用的, 當你買了一個新裝置, 如果送來的程式不成功, 先看看相關地址是否可找到裝置, 可簡單測試裝置是否有問題.


相關程式下載:

• slave_01.ino
• i2c_scanner.ino

SD Card 模塊

SD Card 模塊, 都無乜特別, 咪就係用黎讀寫 SD Card 咁大把.
有時用黎做下 logging 都幾好既, 又或者可以用黎放歌仔去播.


睇睇樣先:

基本資料:

電壓:	5V/3.3V
接口:	SPI

相關資料下載:

• 原理圖
• Physical Layer Specification
• File System Specification
• SPI Mode

接線方法:

UNO	SD Module
D4 / D10	CS
D11	MOSI
D12	MISO
SCK	D13
5V/3.3V	5V/3.3V
GND	GND

注意:
一般 CS 係接 D10 既, 不過官網上既例子係用左 D4.  所以要睇清楚去接.
呢塊野可以用 5V 或 3.3V 既, 如果 UNO 就無所謂, 無樣都有, 否則就跟番你塊板有乜接乜.



測試程式:

基本上 Arduino IDE 本身已有唔少 (File->Examples->SD), 我都唔想多講.
不過就左方便對比, 做左幾個測試結果出黎.

首先搵左張 2GB 既 SD card (注意, 佢唔支援 SDHC 的, 一定要最弱既 SD).
Format 用 FAT16, 再整左一個 ReadMe.Txt, 一個 Arduino 既 Folder, 入面有個 Dummy.Txt.
全部 file 都係吉既, 只係為左測試用.

注意, 因為部份 example 會寫 file, 呢個結果係由 吉card 順住做的.
而當中有幾個會不斷 write 野, 中途停佢好似會出事.  個 Example 應該加個位比人 quit.

執行 CardInfo 既結果:

執行 Datalogger 既結果:
(注意, 因為一 upload 完佢就行, 係咁 send 野, 有可能你一開始仲有幾個數字的)

執行 Datalogger 既結果:
(注意, 同樣一 upload 完佢就行, 係咁 send 野, 有可能你一開始仲有幾個數字的)

執行 Files 既結果:

執行 listfiles 既結果:

玩完上面幾個 examples, 因為經常會 write 緊果下停, 有機會出現呢個 error, 今次剛好在測試 listfiles 時出現.  

只好再 format 佢一次, create 番之前講既 file 再行.

最後係執行埋 ReadWrite...好不幸, 出 error:

抽出黎再試左幾次都係一樣.  開番張 card 黎睇, 無哂我之前 create 既野, 得番一個 TEST.TXT, 入面吉既.   咁又試下再 format 張 card, 吉既比佢行.  結果都係一樣, 放棄了.

最後提提大家, 今次 Arduino IDE 入面既 Example, 真係好差.  SD card 既 read / write, 除非你做 自動系統, 否則 read / write SD card 最好有少少 UI, 避免 read / write 過程中 SD card 被拔走.

之前自己做既 logging, 一個自動化系統, 每次 write 緊都會亮燈, write 完即 close file 等一等就熄燈.  而且每次再 write 都會有一定時間分隔.  除非死機, 否則自己見到亮燈就唔會停佢.

32路舵機控制板 (TOROBOT Robot Kits)

呢塊 32路舵機控制板 (TOROBOT Robot Kits) 絕對係山寨廠既經典, 功能超強勁.

本來我仲有埋佢既細佬, 16路舵機控制板,  點知比我一野唔小心, short 左線即燒.
以後都唔敢開哂電攪 D 線, 話哂 16路都要百幾蚊, 一秒就 KO 左.

官方網站:   TOROBOT Robot Kits
淘寶連結:   史上最强 Arduino USB 32路 舵机控制板 控制器 驱动 支持PS2手柄


相關資料:
官網既資料包, 一舊包哂以下既野 
(有中又有英, 招呼周到.  鐘意可以一個個 download, 不過下面係官網連結, 可能會死 link)
官方更新包包 (2017-05-19)

• Servo controller software
• Servo controller drive
• Servo Controller User Guide
• Android app

• 串口調試助手
• 舵機控制板PC軟件
• 舵機控制板PC驅動(支持xp、win7、win8 32bit、win8 64bit)
• 舵機控制板快速入門
• 舵機控制板使用說明書
• Android 控制軟件
• 51單片機控制舵機控制板的參考程序
• 32路舵機控制板 PS2使用說明

32路舵機控制板 SSC-32U

今次介紹既係 32路舵機控制板

當然, 我唔係買左呢塊喇, 我買既只係 山寨板32路舵機控制板:

有關資料:

• 32路舵機控制板資料
• 硬件教程  (國語片下載) 
• 软件教程  (國語片下載)

16 路舵機控制板 PCA9685

呢塊野都幾得意, 但係D資料好散, 自己放埋一齊方便搵.

1) 相關網站

• 正版網站   (購買連結)

• 山寨版網站   (係咪仲靚仔過正版呢)

2) 相關資料下截

• 官網資料 (16-channel-pwm-servo-driver.pdf)
• 相關程式庫 (AdafruitPWMServoDriverLibrary)
• 
  

3) 連線

UNO	Servo Driver
A4	SDA
A5	SCL
5v	VCC
GND	GND

另外要接 5-6V 既電源去比舵機用

詳情可以睇 https://learn.adafruit.com/16-channel-pwm-servo-driver?view=all
(或者上面個 16-channel-pwm-servo-driver.pdf)

Arduino 基本資料

硬件資料:

• 官方網站

開發環境

• Arduino IDE (就算用其他 IDE, 都要裝)
• Sublime Text (推介! v3 仲係 beta 中) + Stino

建構中........諗到再加

步進電機 (三) : TPS20U + EasyDriver (A3967 驅動板)

唔係呀, 又黎 A3967?  TPS20U 有乜特別?
好老實講, 真係完全無特別.  問題係, TPS20U 搵唔到資料, 今次主要講對住隻唔知既電機點算.

從佢個 pat pat 可以知道, 佢係用 12V 電, 同埋係 1:30 既, 即係轉一圈步數既比例應該係 30 既倍數.
之前隻 28BYJ-48, 轉一圈就 16384 steps, 諗住差唔多就比 15000 試下, 點知一野就轉左 2 個半圈.  就係咁, 15000 / 2.5 = 6000, 用 6000 steps 肉眼睇應該係一圈了.
至於點解會係 6000 = 30 * 200, 真係要慢慢研究下了.

玩左一排 CNC, 對步進了解多左少少, 番黎補充下:
初步估計, 呢隻步進應該係 1.8度 角, 30 細分.  所以轉一個圈就係 (360 / 1.8) * 30 = 6000 格了.
點解會係 30 細分呢?  可能上面既 1/30 就係咁解掛.
咁點解又係 1.8 度?  我叫 D 42 步進, 多數係 1.8 度, 有 D 0.9度, 當左係掛.
唔理得咁多了, 最後結果做到就當係先喇.

之後就係認番 D 線出黎, 唔係點接..
呢隻網上講係 4 相既, 點都係搵番條中線出黎.
容易喇, 先固定一條, 同其他四條度下電阻, 如果四條一樣, 呢條就係中線.
如果三條一樣, 有一條唔同, 咁果條就係中線, 再用果條同其他三條度下, 應該全部一樣.
咁就可以肯定, 呢條係中線了.

結果....藍色果條就係中線 (...其實唔駛度, 藍色本身就係插頭既中線.)
之後, 通常會係 AB中AB 去排既 (唔係就 AA中BB), 咁就用 1-4, 2-5 兩組接 EasyDriver.
A[紅,黃], B[黑,白] - 結果好好彩一野就中.


基本資料:

等我搵下先, 遲下 update 番.


接線方法:

UNO	EasyDriver
D2	STEP
D3	DIR
GND	GND

測試程式:
SM_TPS20U_A3967.ino

步進電機 (二) : 28BYJ-48 + EasyDriver (A3967 驅動板)

睇到個標題, 係咪好怪呢.  通常用得 EasyDriver, 都唔會玩隻 cheap cheap 步進.
偏偏我呢個 cheap 佬, 家陣初學玩 步進電機, 手頭接好哂線就係得呢隻.
已經網上淘緊幾隻 39 同 42 (1.8 度同 0.9度都買定) 既步進番黎了.
家陣玩用住隻 cheap 野, 試下點用張 EasyDriver 先.

隻步進之前都介紹過, 今次主要試下點用張 EasyDriver.

淘番黎既板, 本身無焊針腳既.  為左方便插麵包板試, 我焊左去板背.

前面好多野, 焊到好驚, 唔知有無焊死D乜野.

基本資料:

太複雜了, 可以去參考以下網站資料:

• Allegro A3967 官方網站
• sparkfun EasyDriver 官方網站
• EasyDriver 非官方資料

簡單講下張卡既接口資料, 用黎測試步進, 基本上只需要用到以下接口:

DIR	連接 MPU, 控制轉動方向
STEP	連接 MPU, 改善電壓發出轉動的指令 (一次 High/Low = 一步)
GND	連接 MPU, 接地
PWR IN (M+)	連接 電機電源 (+) ; 6 - 30V, 2A+
PWR IN (GND)	連接 電機電源 (-)
MOTOR - A(L)	連接 電機 A+
MOTOR - A(R)	連接 電機 A-
MOTOR - B(L)	連接 電機 B+
MOTOR - B(R)	連接 電機 B-

注意, 雖然 28BYJ-48 只係 DC 5V, 但如果輸入 5V 電源, 電流唔夠, 未必可以推動的.
而且, 用 EasyDriver, 你可以用好大既電壓比佢, 問題只係你隻電機可能會好熱.
如果太熱既, 可以嘗試調較 EasyDriver 上面既 CUR Adj.
我既測試係用 7.4V 輸入, 一切都正常, 電機係會熱少少.
但速度上比用 ULN2003 接 arduino 取 5V 電快少少.


相關資料下載:
Allegro A3967 Datasheet

接線方法:

UNO	ULN2003
D2	STEP
D3	DIR
GND	GND

測試程式:
SM_28YBJ48_A3967.ino

Arduino 之間的溝通 (一) 通訊方式

在 arduino 上, 雖然都算有十幾個 I/O, 但係左接右接, 有時都唔係好夠用.
特別係如果想 arduino 板之間要傾計, 就更加有問題了.

如果只係兩塊, 最簡單就係用串口, 或者 經 softwareSerial 都 OK.  RX 接 TX, 詳情唔駛講了.

不過, 如果有幾塊 arduino 板想傾計, 就唔同咁講了, 呢個 Topic 主要都係想講呢樣.
基本上我聽過又或者識既, 有以下既方法:

1. 串口通訊

優點: 簡單, 不用太多資源, 支援任何兩片之間通訊
缺點: 發送時間比較慢, 由於每片 arduino 有自己的工作, 如果由第 n 塊發給第 n-1 塊, 就要浪費很多次通訊了.

如果用 Serial, 由於 Serial 係點對點連線, 要串通哂都唔係易.
加上每塊 arduino 既串口有限, mega 都係得 4 個, 一般只係得一個, 點連?
最簡單可以用 ring 既連接, 當每塊板有編號, 第 n 塊既 RX 接 第 n-1 塊既 TX, 一直串落去, 最後一塊接番上第一塊.
而每個 request 都有發送同接收地址, 收到唔係自己既就 pass 比下一位, 如此類推.
當收到比自己既就處理並停止發送, 如果收番自己發出既就當無人又停止.


詳情請看.....(未發表, 老作中, 遲下更新)

2. i2c (Inter-Integrated Circuit, I2C or IIC)

優點: 速度快
缺點: 一切通訊由 master 發起, slave 只可以跟 master 通訊, 只有一個 master 可以接其他 i2c device,

呢個係我自己比較喜歡既方式, 優點係速度快同簡單. 暫時仲未研究到一塊 arduino 點樣可以接上兩個 i2c bus, 所以當某塊 arduino 以 slave 身份加入 i2c 後, 就唔可以用佢去接其他 i2c device 了.
如果有需要分開去接唔同既 i2c device, 就用唔到呢個方法了.
詳情請看.....(未發表, 老作中, 遲下更新)


3. SPI (Serial Peripheral Interface)

優點: 未知
缺點: 未知

有點似 i2c, 但仲未掌握到, 知道有咁既野先, 又遲下再研究.

4. Network IP (by network module, e.g W5100)

優點: 支援任何兩片之間通訊
缺點: 另購硬件, 網路的庫比較大, 耗資源, 需要額外的網路裝置

如果話用 IP (玩開PC, 最簡單就係 IP 了), 每塊 arduino 板都有裝埋 network.
而且, 個 network 既 library 都唔細, 唔化算.  呢個我都無去研究了.

5. Network IP (by serial connection, e.g.ESP8266)

優點: 支援任何兩片之間通訊, 相對簡單, 無線通訊
缺點: 另購硬件, 需要無線網路配合

我都唔知應該點叫, 由於 ESP8266 之類既 card, network 部份在 module 之內, 對 arduino 而言, 只係 serial communization.
呢個可能係一個幾好既方案, 而且仲要係無線通訊.
但係家陣 ESP8266 既庫未算完善, 而且仲要有一個 wireless 既 router 配合, 都係遲下再研究.

6. 藍牙

優點: 點對點無線通訊
缺點: 另購硬件, (未試過, 唔知得唔得)

藍牙基本上又係無線既 serial 連綠, 但手上無咁多藍牙模塊可以試, 不知是否可以 pair 多個 device...
如果可以, 不知如何分辨了...


7. (見到有新既就再加)

步進電機 (一) : 28BYJ-48 + ULN2003 驅動板

用 Arduino 玩 步進電機, 最基本套餐應該係 28BYJ-48 配合 ULN2003 驅動板了.

28BYJ-48 5V DC 步進電機

ULN2003 步進電機驅動板

電機跟驅動板的連接, 不會有難度吧, 直接把 5-pin 頭插到驅動板上就可以了.

28BYJ-48 連接 ULN2003

基本資料:

電壓:	5V

相關資料下載:
28BYJ-48 (簡體)
ULN2003

接線方法:

UNO	ULN2003
D8	IN1
D9	IN2
D10	IN3
D11	IN4
5V	+
GND	-

雖然 28BYJ-48 只係 5V, 但係可以既話, 最好都係用番外接電源.  記得共地.


測試程式:
SM_28YBJ48_ULN2003.ino

Arduino 既 IDE, 本身已有 4 個 Stepper 既測試程式:
File->Examples->Stepper->
1. MotorKnob
2. stepper_oneRevolution
3. stepper_oneStepAtATime
4. stepper_speedControl

不過, 我試既時候, 反時針轉都係出順時針, 仲研究緊.
而網上 instructables.com 有比較詳細既介紹, 而且佢入面既 sample 係可以正反都無問題.
http://www.instructables.com/id/BYJ48-Stepper-Motor/?ALLSTEPS

呢隻係 4相步進電機, IDE example 入面只有 4 個 steps, 而 instructables 果個有 7 個 steps.
而 instructables.com 條 link 入面, 亦有講下點計數既.

不過, 就算跟佢計算, 改左 stepsPerRevolution 做 4096, 結果仲連行都唔行添.
可能真係同佢既幾個steps 有關,

Arduino IDE 既 example:

Steps	PIN (1-2-3-4)
0	H-L-H-L
1	L-H-H-L
2	L-H-L-H
3	H-L-L-H

Instructables 既 example:

Steps	PIN (1-2-3-4)
0	L-L-L-H
1	L-L-H-H
2	L-L-H-L
3	L-H-H-L
4	L-H-L-L
5	H-H-L-L
6	H-L-L-L
7	H-L-L-H

而我個測試程式, 就係基於 instructables 上面既例子, 作左少少改動.

主要係可以設定 轉一個圈既時間, 程式會自己轉番每一格既時間.

而結果會顯示設定既時間, 同實際執行時量度出既時間, 有少少出入.

由於有一定既 overhead, 一般量度出既時間, 會比預設既多左 0.02s 左右.

所以設定為 6 秒時, 執行結果每 round 大約係 6.02 秒.

有一點要提提, 大家可能發覺, 每個 step 順住或者反方向行, 同之前既 step 實際變化只有一個, 如果計埋反方向都係得兩個變化, 咁每次輸出兩個就夠了.

我嘗試過咁樣改, 每次只係出兩條 pin, 初時行無問題, 但試過行行下中途停下再開, 有機會進入左一個唔知點解再行唔到既狀態.  呢樣野可能要再研究下, 但如果每次都出哂四條 pin 既變化, 就肯定無問題.