I2C

I2C удобен, когда к одному контроллеру нужно подключить несколько небольших устройств: датчик давления BME280, дисплей OLED, часы реального времени DS3231, расширитель портов. Все они делят две сигнальные линии, а контроллер выбирает нужный модуль по адресу.

Коротко

I2C — синхронная адресная шина. SDA передаёт данные, SCL задаёт такт. Обе линии обычно требуют подтягивающих резисторов к логическому питанию шины. Устройства подключаются параллельно и отвечают только на свой адрес.

Зачем это нужно

В роботе часто много медленных датчиков. Если каждому выделять отдельные пины, выводы контроллера быстро закончатся. I2C позволяет подключить несколько устройств на одни и те же SDA и SCL.

Но простота имеет цену: нужно следить за адресами, подтяжками, уровнем питания и длиной проводов. Два устройства с одинаковым адресом на одной шине обычно будут конфликтовать.

Главная идея

Контроллер начинает обмен, формирует START, отправляет адрес устройства, передаёт или читает байты и завершает транзакцию STOP. Каждый принятый байт подтверждается сигналом ACK.

Линии SDA и SCL устроены не как обычные выходы, которые активно выдают 0 и 1. Участники шины тянут линию вниз для нуля и отпускают её для единицы. Высокий уровень создаёт подтягивающий резистор.

Провода и сигналы

Линия	Назначение	Что важно
SDA	данные и адреса	двунаправленная линия, нужна подтяжка
SCL	тактовый сигнал	обычно задаётся контроллером, тоже нужна подтяжка
GND	общий ноль	обязателен для всех участников
VCC	питание модулей и логическая подтяжка	напряжение выбирают по самому чувствительному устройству

Подтягивающие резисторы ставят на шину, а не «обязательно по паре на каждый датчик». На готовых модулях они часто уже есть. Если подключить несколько модулей с установленными подтяжками, итоговое сопротивление станет меньше.

Где находятся пины

Плата	Пины I2C	Комментарий
Arduino Uno	A4/SDA, A5/SCL; на Uno R3 есть отдельные подписи SDA и SCL	это те же линии I2C
Arduino Nano	A4/SDA, A5/SCL	как у Uno, но физическое расположение другое
Arduino Mega	20/SDA, 21/SCL	не совпадает с Uno
ESP32 DevKit	часто GPIO21/SDA, GPIO22/SCL	в Arduino core пины можно переназначить
ESP8266	часто GPIO4/SDA, GPIO5/SCL в учебных примерах	зависит от платы и ядра

Перед разводкой платы или пайкой шлейфа всегда открывают pinout конкретной платы. Название I2C не гарантирует одинаковые номера выводов.

Подключение устройства к Arduino Uno: BME280

BME280 измеряет температуру, давление и влажность. Многие готовые модули имеют выводы VCC, GND, SCL, SDA.

Контакт BME280-модуля	Arduino Uno	Что проверить
SDA	A4/SDA	не перепутать с SCL
SCL	A5/SCL	линия такта
GND	GND	общий ноль
VCC	3.3V или 5V по модулю	голый чип BME280 рассчитан на 3,3 В; готовый модуль может иметь стабилизатор

После подключения удобно запустить I2C-сканер. Он покажет адрес, на котором модуль отвечает, например 0x76 или 0x77. Сканер подтверждает наличие ответа, но не доказывает, что датчик правильно измеряет.

Пример с несколькими Arduino

Одна Arduino может быть контроллером шины, а другие Arduino — адресуемыми устройствами. Это полезная лабораторная работа: становится видно, что адрес выбирает участника, а SDA и SCL остаются общими.

Соединение	Arduino-контроллер	Адресуемая Arduino
данные	A4/SDA	A4/SDA
такт	A5/SCL	A5/SCL
земля	GND	GND

Скетч адресуемой платы задаёт адрес:

#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin(0x12);
  Wire.onRequest(sendValue);
}

void loop() {
}

void sendValue() {
  Wire.write(42);
}

Скетч контроллера запрашивает один байт:

#include <Wire.h>

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

void loop() {
  Wire.requestFrom(0x12, 1);
  if (Wire.available()) {
    Serial.println(Wire.read());
  }
  delay(1000);
}

В реальном проекте вместо числа 42 передают осмысленные данные: состояние датчика, заряд батареи или команду для адресуемого узла.

Частые ошибки

Ошибка	Что произойдёт
перепутали SDA и SCL	устройство не отвечает
нет общего GND	уровни не имеют общего отсчёта
нет подтяжек	линии не возвращаются в высокий уровень
подтяжки к 5 В при модуле 3,3 В	вход модуля можно повредить
два устройства с одним адресом	ответы конфликтуют
слишком длинные провода	фронты становятся медленными, появляются ошибки

Что запомнить про I2C

• I2C использует две сигнальные линии: SDA и SCL.
• Устройства сидят на общей шине и различаются адресами.
• Для SDA и SCL нужны корректные подтяжки.
• На Arduino Uno I2C находится на A4/A5.
• На ESP32 пины часто можно переназначить, но типовой учебный вариант — GPIO21/GPIO22.

Практика

1. Нарисуйте Arduino Uno, BME280 и OLED на общей шине I2C.
2. Подпишите SDA, SCL, GND, VCC и две подтяжки.
3. Проверьте адрес BME280 сканером.
4. Подключите вторую Arduino как устройство с адресом 0x12.

Проверьте себя

1. Почему SDA и SCL требуют подтяжек?
2. Чем адрес I2C отличается от пина CS в SPI?
3. Где находятся линии I2C на Arduino Uno?
4. Почему два одинаковых датчика с одним адресом могут мешать друг другу?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• I2C — синхронная адресная шина с линиями данных SDA и такта SCL.
• Контроллер шины — участник, который начинает транзакцию и формирует такт.
• Адресуемое устройство — участник, который отвечает на свой адрес.
• ACK — подтверждение приёма байта.
• Подтягивающий резистор — резистор, возвращающий открытую линию в высокий уровень.

Связанные темы

• UART — прямой поток байтов между двумя устройствами.
• 1-Wire — одна сигнальная линия и уникальные ROM-коды.
• SPI — быстрый синхронный обмен с отдельным выбором устройства.
• Сравнение протоколов — когда какой интерфейс удобнее.
• Отладка обмена — как искать ошибки питания, проводки и адресов.

Источники

• Arduino Docs. Arduino Uno Rev3.
• Arduino Docs. Wire library reference.
• Espressif. Arduino-ESP32 I2C API.
• Nexperia. UM10204 — I2C-bus specification and user manual.
• Texas Instruments. I2C Bus Pullup Resistor Calculation.