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内部集成电路（I2C）是用于微控制器和新一代专用集成电路之间的串行数据交换系统。当它们之间的距离很短（接收器和发射器通常在同一个印刷电路板上）时使用。通过两根导线建立连接。一个用于数据传输，另一个用于同步（时钟信号）。

如下图所示，一个设备始终是主设备。它在通信开始之前执行一个从芯片的寻址。这样，一个微控制器可以与112个不同的设备进行通信。波特率通常为100 Kb/sec（标准模式）或10 Kb/sec（慢波特率模式）。最近出现了波特率为3.4 Mb/s的系统。通过I2C总线通信的设备之间的距离限制在几米之内。

板的I2C引脚

I2C总线由两个信号组成 – SCL和SDA。SCL是时钟信号，SDA是数据信号。当前总线主机总是产生时钟信号。一些从设备可能迫使时钟低电平以延迟主设备发送更多数据（或者在主设备尝试将数据写出之前请求更多的时间来准备数据）。这被称为“时钟伸展”。

以下是不同Arduino板的引脚：

• Uno, Pro Mini A4 (SDA), A5 (SCL)
• Mega, Due 20 (SDA), 21 (SCL)
• Leonardo, Yun 2 (SDA), 3 (SCL)

Arduino I2C

我们有两种模式 – 主代码和从代码 – 使用I2C连接两个Arduino板。它们是：

• Master Transmitter / Slave Receiver 

  主发射器/从接收器

• Master Receiver / Slave Transmitter 

  主接收器/从发射器

主发射器/从接收器

让我们现在看看什么是主发送器和从接收器。

主发射器

以下函数用于初始化Wire库，并将I2C总线作为主器件或从器件加入。这通常只被调用一次。

• Wire.begin(地址) – 在我们的例子中，地址是7位从地址，因为未指定主机，它将作为主机加入总线。

• Wire.beginTransmission(地址) – 开始向给定地址的I2C从设备发送数据。

• Wire.write(值) – 用于从主设备传输到从设备的队列字节（在beginTransmission()和endTransmission()之间的调用）。

• Wire.endTransmission() – 结束由beginTransmission()开始的对从设备的传输，并传输由wire.write()排队的字节。

示例

#include <Wire.h>//include wire library
 

void setup() //this will run only once{
    Wire.begin();

// join i2c bus as master

  }   short age = 0;


void loop()
{
      Wire.beginTransmission(2);

    // transmit to device
#2
    Wire.write("

age is = "

);

   Wire.write(age);

// sends one byte
    Wire.endTransmission();

// stop transmitting
   
  delay(1000);

  }

从接收器

使用以下函数：

• Wire.begin(地址) – 地址是7位从地址。

• Wire.onReceive(收到的数据处理程序) – 当从设备从主设备接收数据时调用的函数。

• Wire.available() – 返回Wire.read()可用于检索的字节数，应在Wire.onReceive()处理程序中调用。

示例

#include <Wire.h>//include wire library
 

void setup()
{  //this will run only once
    Wire.begin(2);

// join i2c bus with address
#2
    Wire.onReceive(receiveEvent);

// call receiveEvent when the master send any thing
   
  Serial.begin(9600);

// start serial for output to print what we receive 
  }
 
void loop()
{
     
  delay(250);

  }  //-----this function will execute whenever data is received from master-----//
 
void receiveEvent(int howMany)
{
    while (Wire.available()>1) // loop through all but the last{
      char c = Wire.read();

// receive byte as a character
     
  Serial.print(c);

// print the character
     
   }
  }

主接收器/从发射器

让我们现在看看什么是主接收器和从发射器。

主接收器

主机被编程为请求，然后读取从唯一寻址的从机Arduino发送的数据字节。

使用以下函数：

Wire.requestFrom(地址，字节数) – 主设备用于请求从设备的字节。然后可以使用函数wire.available()和wire.read()检索字节。

示例

#include <Wire.h>//include wire library

void setup()
{
    Wire.begin();

// join i2c bus (address optional for master)
   
  Serial.begin(9600);

// start serial for output

  }
 
void loop()
{
    Wire.requestFrom(2, 1);

// request 1 bytes from slave device
#2
    while (Wire.available()) // slave may send less than requested{
      char c = Wire.read();

// receive a byte as character
     
  Serial.print(c);

// print the character
   
  }
    
  delay(500);

  }

从发射器

使用以下函数：

Wire.onRequest(处理程序) – 当主设备从此从设备请求数据时调用该函数。

示例

#include <Wire.h>

void setup()
{
    Wire.begin(2);

// join i2c bus with address
#2
    Wire.onRequest(requestEvent);

// register event

  }   Byte x = 0;


void loop()
{
   
  delay(100);

  }   // function that executes whenever data is requested by master // this function is registered as an event, see setup()
 
void requestEvent()
{
    Wire.write(x);

// respond with message of 1 bytes as expected by master
    x++;

  } 

中断（interrupt）停止Arduino的当前工作，以便可以完成一些其他工作。

假设你坐在家里和别人聊天。突然电话响了。你停止聊天，拿起电话与来电者通话。当你完成电话交谈后，你回去和电话响之前的那个人聊天。

同样，你可以把主程序想象成是与某人聊天，电话铃声使你停止聊天。中断服务程序是在电话上通话的过程。当通话结束后，你回到你聊天的主程序。这个例子准确地解释了中断如何使处理器执行操作。

主程序在电路中运行并执行一些功能。但是，当发生中断时，主程序在另一个程序执行时停止。当这个程序结束时，处理器再次返回主程序。

重要特征

这里有一些关于中断的重要特征：

• 中断可以来自各种来源。在这种情况下，我们使用的是由数字引脚上的状态改变触发的硬件中断。

• 大多数Arduino设计有两个硬件中断（称为“interrupt0”和“interrupt1”）分别硬连接到数字I/O引脚2和3。

• Arduino Mega有六个硬件中断，包括引脚21，20，19和18上的附加中断（“interrupt2”到“interrupt5”）。

• 你可以使用称为“中断服务程序”（Interrupt Service Routine，通常称为ISR）的特殊函数来定义程序。

• 你可以定义该程序并指定上升沿，下降沿或两者的条件。在这些特定条件下，将处理中断。

• 每次在输入引脚上发生事件时，都可以自动执行该函数。

中断类型

有两种类型的中断：

• 硬件中断 – 它们响应外部事件而发生，例如外部中断引脚变为高电平或低电平。

• 软件中断 – 它们响应于在软件中发送的指令而发生。“Arduino语言”支持的唯一类型的中断是attachInterrupt()函数。

在Arduino中使用中断

中断在Arduino程序中非常有用，因为它有助于解决时序问题。中断的良好应用是读取旋转编码器或观察用户输入。一般情况下，ISR应尽可能短且快。如果你的草图使用多个ISR，则一次只能运行一个。其他中断将在当前完成之后执行，其顺序取决于它们的优先级。

通常，全局变量用于在ISR和主程序之间传递数据。为了确保在ISR和主程序之间共享的变量正确更新，请将它们声明为volatile。

attachInterrupt语句语法

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin),ISR,mode);

//recommended for arduino board attachInterrupt(pin, ISR, mode) ;

//recommended Arduino Due, Zero only //argument pin: the pin number //argument ISR: the ISR to call when the interrupt occurs;

    //this function must take no parameters and

return nothing.
 // This function is sometimes referred to as an interrupt service routine. //argument mode: defines when the interrupt should be triggered.

以下三个常量被预定义为有效值：

• LOW ：在引脚为低电平时触发中断。

• CHANGE ：在引脚更改值时触发中断。

• FALLING ：当引脚从高电平变为低电平时触发中断。 

   

示例

int pin = 2;

//define interrupt pin to 2 volatile
int state = LOW;

// To make sure variables shared between an ISR //the main program are updated correctly,declare them as volatile.
 

void setup()
{
 
  pinMode(13, OUTPUT);

//set pin 13 as output
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), blink, CHANGE);

   //interrupt at pin 2 blink ISR when pin to change the value
  }
 
void loop()
{
    
   digitalWrite(13, state);

//pin 13 equal the state value

  }
 
void blink()
{
// ISR function
    state = !state;

//toggle the state when the interrupt occurs

  } 

已经定义了数百个通信协议来实现这种数据交换。每个协议可以分为两类：并行或串行。

并行通信

通过输入/输出端口在Arduino和外设之间进行并行连接是短距离（最多几米）的理想解决方案。然而，在其他情况下，当需要在两个设备之间建立较长距离的通信时，不可能使用并行连接。并行接口同时传输多个位。它们通常需要数据总线 – 通过八条，十六条或更多的线路进行传输。数据以1和0的巨大波形传输。

并行通信的优点和缺点

并行通信肯定有其优势。它比串行更快，更直接，相对容易实施。然而，它需要许多的输入/输出(I / O)端口和线路。如果你曾经把一个项目从一个基本的Arduino Uno移动到一个Mega，你就知道微处理器上的I/O线是很宝贵的，而且很少。因此，我们更喜欢串行通信，牺牲针脚空间的潜在速度。

串行通信模块

今天，大多数Arduino板都是用几种不同的串行通信系统作为标准设备。

使用哪个系统取决于以下因素:

• 微控制器有多少个器件与数据交换？
• 数据交换的速度有多快？
• 这些设备之间的距离是多少？
• 是否需要同时发送和接收数据？

有关串行通信的最重要的事情之一是协议，应该严格遵守。它是一套规则，必须应用这些规则才能使设备正确地解释它们相互交换的数据。幸运的是，Arduino会自动处理这个问题，这样程序员/用户的工作就可以简化为简单的写（发送的数据）和读（接收的数据）。

串行通信类型

串行通信可以进一步分类为：

• 同步 – 同步的设备使用相同的时钟，它们的时序彼此同步。

• 异步 – 异步的设备具有各自的时钟，并由前一状态的输出触发。

很容易找出设备是否同步。如果给所有连接的设备提供相同的时钟，则它们是同步的。如果没有时钟线，它是异步的。

例如，UART（通用异步收发器）模块是异步的。

异步串行协议有一些内置的规则。这些规则只是有助于确保可靠且无误的数据传输的机制。这些避免外部时钟信号的机制是：

• Synchronization bits 

  同步位

• Data bits 

  数据位

• Parity bits 

  奇偶校验位

• Baud rate 

  波特率

同步位

同步位是与每个数据包传输的两个或三个特殊位。它们是起始位和停止位。正如它们的名称，这些位分别标记数据包的开始和结束。

起始位始终只有一个，但停止位的数量可以配置为一个或两个（尽管通常保持为1）。

起始位始终由从1到0的空闲数据线指示，而停止位将通过将线保持在1处而转换回空闲状态。

数据位

每个分组中的数据量可以设置为5到9位的任意大小。当然，标准数据大小是基本8位字节，但其他大小有它们的用途。7位数据包的效率可能比8位高，特别是如果你只是传输7位ASCII字符。

奇偶校验位

用户可以选择是否应该有奇偶校验位，如果是，则奇偶校验应该是奇数还是偶数。如果数据位中的1的数目是偶数，则奇偶校验位为0。奇数的奇偶校验正好相反。

波特率

术语波特率用于表示每秒传输的位数[bps]。注意，它指的是位，而不是字节。协议通常要求每个字节与几个控制位一起传输。这意味着串行数据流中的一个字节可以包括11位。例如，如果波特率为300bps，则每秒可以传输最大37字节和最小27字节。

Arduino UART

以下代码将使Arduino在启动时发送hello world。

void setup()
{
 
  Serial.begin(9600);

//set up serial library baud rate to 9600
  
  
  Serial.println("

hello world"

);

//print hello world
  }
 
void loop()
{

  } 

将Arduino草图上传到Arduino后，打开Arduino IDE右上角的串口监视器搜索。

在串口监视器的顶部框中键入任意内容，然后按发送键或键盘上的enter键。这将发送一系列字节到Arduino。

以下代码返回它接收到的任何东西作为输入。

以下代码将使Arduino根据提供的输入传送输出。

void setup()
{
 
  Serial.begin(9600);

//set up serial library baud rate to 9600
  }
 
void loop()
{
   if(Serial.available()) //if number of bytes (characters) available for reading from{

  serial port
     
  Serial.print("

I received:"

);

//print I received
     
  Serial.write(Serial.read());

//send what you read
     
   }
  } 

请注意，Serial.print 和
Serial.println 将发回实际的ASCII代码，而 Serial.write 将返回实际的文本。请参阅ASCII代码了解更多信息。