ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

Arduino คุยกันด้วย I2C (ตอนที่ 1)

5 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Publish : 7 Aug. 2020

หัวข้อในบทความนี้
- ทดลองเขียนโปรแกรม - อธิบาย
- การเตรียม Hardware
- แนะนำคำสั่งต่าง ๆ
- สรุป

หลังจากที่เราเคยเขียนบทความเรื่อง I2C กันไปแล้ว การใช้งานบอร์ดกับเซ็นเซอร์หรือ Output ต่าง ๆ ก็ดูจะไม่ยากเพราะมี Library สำเร็จแจกทั่วไปให้ใช้งานอยู่แล้ว แต่บอร์ด Arduino มันมี I2C กันอยู่ มันจะคุยกันเองได้มั๊ย? ได้ครับ ถามว่าทำไม สมมติถ้า I/O บอร์ดเดียวไม่พอ เราก็ใช้บอร์ดตัวแรกให้คอยรับ Input และส่งข้อมูลไปให้อีกบอร์ดเป็น Output เป็นต้น ซึ่งเราสามารถใช้สายไฟ 4 เส้น VCC GND SDA SCL ต่อบอร์ดเข้าด้วยกันได้เลย จะให้เรียบร้อยหน่อยเอาสายแลนมาต่อก็ได้ครับ (แต่จริง ๆ แล้วสายสำหรับ I2C ก็มีมาตรฐานของมันอยู่)

ทดลองเขียนโปรแกรม
การเขียนโปรแกรมก็ไม่ยาก เพียงแค่ใช้ Library Wire ที่มีมากับ ArduinoIDE อยู่แล้ว ไม่ต้องติดตั้งอะไรเพิ่มเลย เราไปเริ่มกันเลยดีกว่าครับ เรามาเริ่มเขียนโปรแกรมกันก่อน โดยเราต้องมีบอร์ด 2 ตัว โดยตัวแรกจะให้เป็น Input คอยรับค่า และอีกตัวเป็นตัวรับให้ Output ค่าออกมา ตัวอย่างแรกเอาง่าย ๆ โดยจะกดปุ่มรับ Input เข้าที่ตัวแรกและส่งไป Output ให้ LED Builtin ติดสว่างตอนที่เรากดในบอร์ดตัวที่สอง ว่าแล้วก็ไปลุยกันเลย
ของตัวแรกซึ่งจะเป็น Master ตัวนี้จะมีการรับค่า Digital Input จากปุ่มกด เมื่อเรากดปุ่ม Input เป็น High ก็จะส่งสัญญาณค่า 1 ไปยัง slave เมื่อเราปล่อยปุ่ม Input เป็น Low ก็จะส่งค่า 0 ออกไป

ตัวที่สองที่เป็น Slave ก็มีหน้าที่คอยรับค่าที่ Master ส่งมา จากนั้นจึงนำค่านั้นมาเปิดปิดหลอด LED

เตรียม Hardware และทดลองใช้งาน
เขียนโปรแกรมกันเสร็จแล้วก็ไปเตรียม Hardware กันครับ เนื่องจากเราอยากให้กดแล้วเป็น High แล้วทำงาน ฉะนั้นปุ่มกดที่ Master จะต้องต่อวงจรแบบ Pull-Down (ใครที่ยังไม่เข้าใจ เราเคยอธิบายไว้ในบทความนี้แล้วครับ) จากนั้นจึงต่อ I2C กันเลย ต่อไปตรง ๆ เลยตามนี้ (ตัวอย่างใช้ UNO ใครใช้ตัวอื่นเช็ค SDA SCL ว่าอยู่ตรงไหนก่อนนะครับ)

Signal	Master	<------>	Slave
VCC	ต่อ VCC แยกกัน
SDA	A4	<------>	A4
SCL	A5	<------>	A5
GND	GND	<------>	GND

ต่อครบทั้งหมดก็จะได้ตามรูปนี้

เมื่อต่อตามรูปเราก็จ่ายไฟเข้าไป ทั้งสองตัวต้องมี GND ร่วมกัน แต่พื่อไม่ให้เกิดความเสียหายกับบอร์ดไม่ควรต่อ 5V กับ 5V พ่วงกันนะครับ จับ GND มารวมกันเท่านั้น จะพ่วงรวมกันหรือต่อร่วมที่แหล่งจ่ายก็ได้ ส่วน 5V จ่ายใครจ่ายมัน ดูตามภาพก็ได้ครับจากแหล่งเดียวกันได้แต่ต้องแยกสายกัน เราจะไม่พ่วงระหว่างบอร์ดเข้าด้วยกันตรง ๆ เด็ดขาด เสร็จแล้วเรามาลองเล่นกันว่าโปรแกรมทำงานตามที่เราคิดไว้มั๊ยหว่าาาา

คำสั่งต่าง ๆ ของ Wire Library
ทีนี้เรามาดูแต่ละคำสั่งใน Wire Library กัน แล้วแต่ละคำสั่งมันใช้ทำอะไร? Wire Library เป็น Library พื้นฐานใน ArduinoIDE สำหรับใช้งานในการสื่อสารแบบ Two Wire Interface หรือ I2C - Inter Intregate Circuit นั้นเอง ซึ่งการใช้งานก็มีคำสั่งต่าง ๆ ดังนี้

#include อันนี้คงรู้กันทุกคนแล้วนะครับ เป็นการ include Library เข้ามาเพื่อเรียกใช้งานนั่นเอง

begin(address) คำสั่งเริ่มการใช้งาน Wire Library นั่นเอง ใช้คำสั่งนี้เพียงครั้งเดียวใน Setup เพื่อให้บอร์ดตัวนั้นเข้าไปอยู่ในวง I2C โดยมีรูปแบบดังนี้

Wire.begin(address);

โดยที่ address คือค่า Address ที่เรากำหนดให้กับบอร์ดตัวนั้น โดยจะเป็น 7-bit Address ตามมาตรฐาน I2C เราจะกำหนดเป็นอะไรก็ได้ ใช้เลขฐานอะไรก็ได้ แต่ต้องไม่ซ้ำกันหากใช้ 10 ตัวก็ต้อง 10 Address ไม่ซ้ำ และหากเราไม่ใส่ Address ปล่อยวงเล็บให้ว่างไว้จะหมายถึงบอร์ดตัวนั้นทำหน้าที่ Master นั่นเอง

requestFrom() เป็นคำสั่งที่ใช้ในตัว Master สำหรับเรียกข้อมูลจาก Slave โดยมีรูปแบบดังนี้

Wire.requestFrom(address, quantity, stop);

โดยที่ address คือ Address ของ Slave ที่ต้องการเรียกข้อมูล
quantity คือ จำนวนข้อมูล (เป็น bytes) ที่จะขอ
stop คือ Stop Message เป็น Boolean หากใส่ true ตัว Master จะส่ง Stop Message หลังจากส่งคำสั่งออกไปเพื่อปล่อยบัสให้ว่างพร้อมทำงาน หากใส่เป็น false จะเป็นการส่ง Restart Message แทน ทำให้บัสไม่ว่าง เพื่อป้องกันคำสั่งจากตัวอื่นเข้ามารบกวนการทำงาน ทำให้การทำงานผิดพลาด หากเราไม่ใส่ค่า คำสั่งจะใช้ค่า Default คือ true

beginTransmission(address) เริ่มการส่งข้อมูลไปยัง Slave ตัวที่มี Address ที่กำหนดไว้ (เป็นการส่ง Address bit นั่นเอง) มีรูปแบบดังนี้

Wire.beginTransmission(address);

โดยที่ address คือ Address ของ Slave ที่ต้องการเรียกข้อมูล

endTransmission() เป็นคำสั่งจบการสื่อสารในรอบนั้น ๆ คือหลังจาก beginTransmission และ write เรียบร้อยก็ใช้ตัวนี้จบการสื่อสาร มีรูปแบบดังนี้

Wire.endTransmission(stop);

โดยที่ stop เป็นค่า Boolean หากเป็น true จะทำการส่ง Stop Message เพื่อปลดให้บัสว่าง หากเป็น false จะเป็นการส่ง Restart ให้บัสไม่ว่างเพื่อคงการเชื่อมต่อ ไม่ให้ข้อมูลจากตัวอื่นเข้ามาขัดจังหวะ หากปล่อยว่างจะเป็นค่า Default คือ true
นอกจากนี้ endTransmission ยังสามารถคืนค่าออกมาเป็น Error Code อีกด้วย ซึ่งมีรหัสดังนี้ 0 คือการส่งข้อมูลสำเร็จเรียบร้อยดี, 1 คือข้อมูลยาวเกินกว่าบัฟเฟอร์ที่มี(เรื่องบัฟเฟอร์จะอธิบายในโอกาสหน้าครับ), 2 คือได้รับ NACK จากการส่งที่อยู่, 3 คือได้รับ NACK จากการส่งข้อมูล และ 4 คือความผิดพลาดอื่น ๆ

write() ตามชื่อครับ ใช้ส่งข้อมูลที่ต้องการ ไม่ว่าจะเป็นจาก Master ไป Slave หรือจาก Slave มายัง Master โดยจะต้องอยู่ระหว่างคำสั่ง beginTransmission และ endTransmission รูปแบบคำสั่งมีหลายแบบดังนี้

Wire.write(value);

Wire.write(string);

Wire.write(data, length);

โดยที่ value คือ ข้อมูล 1 byte ที่ต้องการส่งไป
string คือ ชุดข้อความที่อยู่ในรูปหลาย ๆ bytes
data คือ Array ของชุดข้อความหลาย ๆ bytes
lenght คือ ความยาวเป็น bytes ของข้อความที่จะส่งออกไป
จะเห็นว่าแม้มีถึง 3 รูปแบบ แต่การใช้งานนั้นเหมือนกันเป๊ะ ๆ ต่างกันที่ชนิดของข้อมูลที่จะส่งออกไปนั่นเองครับ

available() ใช้เช็คค่าที่เรียกคำสั่งไป โดยจะคืนค่าเป็นจำนวน bytes ที่อ่านได้ โดยคำสั่งนี้ใน Master จะเรียกหลังจาก requestFrom() และเรียกหลังคำสั่ง onReceive() สำหรับใน Slave มีรูปแบบในการใช้งานดังนี้

Wire.avilable();

read() เป็นคำสั่งที่ใช้สำหรับอ่านข้อมูลที่ส่งมา โดยจะเรียกใช้ใน Slave เป็นส่วนใหญ่เพื่อรับคำสั่ง ส่วนใน Master เราจะวางคำสั่งนี้หลังจาก requestFrom(), avilable() โดยคำสั่งนี้จะคืนค่าเป็นข้อมูลที่อ่านได้นั่นเอง

Wire.read();

มาถึงตรงนี้ทุกคนคงจับไต๋ได้แล้วว่าหากต้องการใช้งานอย่างง่าย ๆ มันก็มีเพียง 3 บรรทัดสำหรับการส่ง คือ
Wire.beginTransmission(address);
Wire.write(data);
Wire.endTransmission();
และบรรทัดเดียวสำหรับการรับข้อมูล คือ
Wire.read();
ก็คือแบบในตัวอย่างข้างบนนั่นเองครับ

setClock() ใช้ตั้งค่าความเร็วในการสื่อสาร คือตั้ง I2C Mode ต่าง ๆ ตามที่เคยพูดถึงไปแล้วนั่นแหละครับ

Wire.setClock(frequency);

โดยที่ frequency คือ ค่าความเร็วในการสื่อสาร (ในหน่วย Hz) สามารถตั้งค่าได้ดังนี้
100000 - Standard Mode
400000 - Fast Mode
ค่า Default จะเป็น Standard Mode ทั้งนี้สำหรับบอร์ดบางรุ่นอาจตั้งค่าได้มากกว่านี้เช่น 10000, 1000000, 3400000 (Mode ต่าง ๆ ที่พูดถึงตอน I2C นั่นเอง) ให้ศึกษา Datasheet ของแต่ละตัวนะครับ แต่ใช้เซฟ ๆ ก็ Standard Mode นี่แหละ

onReceive(handler) เป็นคำสั่งที่ใช้ในฝั่ง Slave ให้ทำงานตามฟังก์ชั่นที่กำหนดเมื่อ Slave ได้รับคำสั่งจาก Master

Wire.onReceive(handler);

โดยที่ handler คือ ฟังก์ชั่นที่ต้องการเรียกใช้งาน (ควรส่งค่ากลับเป็น int หรือไม่มีค่าส่งกลับ)

onRequest(handler) เป็นคำสั่งคู่แฝดกับ onReceive คือจะใช้ในฝั่ง Master ให้เรียกฟังก์ชั่นที่กำหนดไว้ขึ้นมาทำงานเมื่อมีข้อมูลส่งมาจาก Slave นั่นเอง

Wire.onRequest(handler);

โดยที่ handler คือ ฟังก์ชั่นที่ต้องการเรียกใช้งาน ไม่มีค่าส่งกลับ (void handler())

สรุป
ตอนนี้เราก็สามารถใช้งานให้บอร์ดทั้งสองตัวสื่อสารผ่าน I2C เบื้องต้นได้แล้วนะครับ ซึ่งในกรณีที่เป็นเซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ที่มีการสื่อสารแบบ I2C ก็สามารถใช้คำสั่งเหล่านี้ไปลองเล่นดูได้ (สำหรับคนที่อยากเขียนโปรแกรมเองทั้งหมด ไม่อยากพึ่งพา Library) โดยเรื่องของรูปแบบข้อมูลต่าง ๆ และการเรียกใช้งานก็หาได้จาก Datasheet ของแต่ละตัวได้เลย มีอธิบายไว้ครบ หรือใครอยากเล่น แปลงโค้ดเพิ่มเติมก็ลองได้เลยครับ

สำหรับวันนี้คิดว่าบทความยาวพอแล้วนะครับ ยิ่งเป็นการอธิบายทฤษฎียาวกว่านี้เดี๋ยวน่าเบื่อ ตัวอย่างวันนี้ก็ยังง่าย ๆ อยู่ลองเล่นกันขำ ๆ ในตอนต่อไปเราจะมาลุยกันต่อ จะทำให้มัน Advance ขึ้นมากัน ให้มันอยู่กันเป็นแก๊ง ทำงานกันเป็นทีม สำหรับวันนี้ลาไปก่อน สวัสดีครับ

อ้างอิง :

Wire Library

Arduino, tutorial, I2C, i2c communication, การสื่อสารแบบ i2c, IIC