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I2C Interface

I2C ist eine Kommunikationsschnittstelle für kleine Mikrochips und Module in der Nähe des Controllers. Erweiterung: Inter-Integrated Circuit. In der Dokumentation ist oft der Begriff I2C bus zu finden.

Grundprinzip: Mehrere Geräte können an dieselben zwei Signalleitungen SDA und SCL angeschlossen werden, sofern sie unterschiedliche Adressen haben.

Wo I2C verwendet wird

Bei einfachen Geräten rund um einen 3D-Drucker wird I2C häufig verwendet für:

  • OLED-Displays;
  • Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Lichtsensoren;
  • Echtzeituhrmodule;
  • GPIO-Erweiterungen;
  • einige Encoder- und Tastenmodule;
  • I2C-Multiplexer;
  • einige RFID/NFC-Module;
  • kleine Hilfsplatinen.

I2C funktioniert gut für kurze Verbindungen innerhalb eines Gehäuses. Bei langen Leitungen über den gesamten Drucker oder in der Nähe von Stromleitungen wird es riskanter.

SDA, SCL, Stromversorgung und GND

Ein I2C-Modul hat typischerweise 4 Anschlüsse:

  • VCC oder VIN - Stromversorgung;
  • GND - gemeinsame Masse;
  • SDA - Daten;
  • SCL - Taktsignal.

Eine Schaltung mit mehreren Geräten sieht so aus:

I2C bus: one master and three devices on common SDA/SCL

Quelle: Wikimedia Commons, Cburnett, CC BY-SA 3.0

Alle Geräte am selben I2C-Bus sind an dasselbe SDA, SCL und GND angeschlossen. Die Stromversorgung kann gemeinsam genutzt werden, jedoch müssen Spannung und Logikpegel für jedes Modul geprüft werden.

Geräteadressen

Jedes I2C-Gerät hat eine Adresse. Kleine OLEDs verwenden zum Beispiel oft 0x3C, manche Sensoren 0x76, 0x77, 0x68, 0x69 usw.

Wenn zwei Geräte am selben Bus dieselbe Adresse haben, kann der Controller sie nicht einzeln ansprechen.

Möglichkeiten bei Adresskonflikten:

  • Adresse per Jumper oder Lötbrücke ändern, sofern das Modul dies unterstützt;
  • eine andere Modulvariante wählen;
  • einen I2C-Multiplexer verwenden;
  • Geräte auf verschiedene I2C-Busse aufteilen, wenn Controller und Firmware dies erlauben.

Die Adresse wird häufig im Hexadezimalformat (hex) angegeben: 0x3C. Manche Firmware oder Konfigurationen erfordern jedoch das Dezimalformat (decimal). So entspricht 0x3C in Dezimal dem Wert 60. Die Dokumentation des jeweiligen Systems muss dazu geprüft werden.

Pull-up-Widerstände

I2C-Leitungen arbeiten über Pull-up-Widerstände. Geräte am Bus können SDA oder SCL in der Regel auf Low ziehen, der High-Pegel entsteht durch den Pull-up zur Logikversorgung.

Ohne Pull-ups funktioniert der Bus möglicherweise nicht. Zu viele Module mit eigenen Pull-ups an einem Bus können jedoch ebenfalls ein Problem sein: Der Gesamtwiderstand wird zu klein, die Leitungen werden stärker belastet, Signalflanken und -pegel können sich verschlechtern.

In der Praxis:

  • viele OLEDs und Sensorplatinen haben bereits Pull-up-Widerstände eingebaut;
  • bei einem kurzen, einfachen Bus funktioniert das meistens sofort;
  • bei vielen Geräten müssen Modulschaltpläne und die Summe der Pull-ups geprüft werden;
  • bei einem instabilen Bus sind Pull-up-Widerstände eine der ersten Prüfstellen.

Ein üblicher Startwiderstand für einen separaten Bus liegt bei etwa 4,7 kOhm, die Pull-ups in fertigen Modulen können jedoch abweichen.

3,3 V und 5 V

I2C ist besonders empfindlich gegenüber Spannungspegeln, da SDA und SCL in der Regel auf eine bestimmte Versorgungsspannung hochgezogen werden.

ESP32, RP2040 und STM32 arbeiten typischerweise mit 3,3-V-Logik. Arduino Uno/Nano arbeitet oft mit 5-V-Logik.

Gefährliche Situation:

  • 3,3-V-Controller;
  • I2C-Modul mit 5-V-Versorgung;
  • Pull-up-Widerstände des Moduls ziehen SDA und SCL auf 5 V.

In diesem Fall kann 5 V am GPIO des Controllers anliegen. Das kann den Mikrocontroller beschädigen.

Vor dem Anschluss prüfen:

  • mit welcher Spannung das Modul versorgt wird;
  • auf welchen Pegel SDA und SCL hochgezogen werden;
  • ob ein Pegelwandler auf dem Modul vorhanden ist;
  • ob das Modul mit einem 3,3-V-Controller kompatibel ist.

Im Zweifelsfall 3,3-V-Versorgung für I2C-Module verwenden oder einen Pegelwandler einsetzen.

Geschwindigkeit

Typische I2C-Geschwindigkeiten:

100000   # standard mode, 100 kHz
400000   # fast mode, 400 kHz

Bei kurzen Leitungen und normalen Modulen funktioniert 400 kHz oft problemlos. Bei langen Leitungen, schwachen Pull-ups, vielen Geräten oder einer störungsreichen Umgebung empfiehlt sich der Start mit 100 kHz.

In Klipper wird der Parameter i2c_speed nicht von allen MCUs gleichermaßen unterstützt. Laut Dokumentation verwenden viele Mikrocontroller 100000, während manche Plattformen 400000 unterstützen. Es kann also nicht einfach eine hohe Geschwindigkeit eingetragen und davon ausgegangen werden, dass sie tatsächlich angewendet wird.

I2C-Scanner

Ein I2C-Scanner ist ein kleines Programm oder Befehl, das alle Adressen durchläuft und zeigt, welche Geräte am Bus antworten.

Er hilft zu verstehen:

  • ob der Controller das Modul erkennt;
  • welche Adresse das Gerät hat;
  • ob SDA und SCL vertauscht sind;
  • ob Stromversorgung und gemeinsames GND vorhanden sind;
  • ob ein Adresskonflikt besteht.

Der Scanner beweist jedoch nicht, dass das Gerät vollständig funktioniert. Er zeigt nur, dass unter dieser Adresse jemand antwortet.

I2C in Klipper

In Klipper wird ein I2C-Gerät mit einem bestimmten MCU verbunden.

Die Konfiguration kann folgende Parameter enthalten:

  • i2c_mcu - welcher MCU das Gerät angeschlossen ist;
  • i2c_bus - Hardware-I2C-Bus, falls mehrere vorhanden sind;
  • i2c_software_scl_pin und i2c_software_sda_pin - Software-I2C auf ausgewählten Pins;
  • i2c_address - Geräteadresse;
  • i2c_speed - Geschwindigkeit, sofern unterstützt.

Wichtig: i2c_address wird in Klipper häufig als Dezimalzahl angegeben, nicht im Hexadezimalformat. Wenn im Datenblatt 0x3C steht, kann die Konfiguration 60 erfordern.

Ist das Gerät an einen zusätzlichen MCU angeschlossen, muss dieser ebenfalls angegeben werden. Andernfalls sucht Klipper das Gerät auf der Hauptplatine.

Leitungslänge und Störungen

I2C ist für kurze Verbindungen ausgelegt. Innerhalb eines kleinen Gehäuses oder auf einer Platine ist es komfortabel. In einem 3D-Drucker sind die Bedingungen schlechter:

  • Motoren in der Nähe;
  • Heizungen in der Nähe;
  • lange Leitungen;
  • Stecker an Türen;
  • Stromleitungen von Lüftern und Heizungen;
  • elektromagnetische Störungen.

Praktische Regeln:

  • SDA und SCL kurz halten;
  • nahe an GND verlegen;
  • nicht parallel zu Heizungs-Stromleitungen führen;
  • ohne besonderen Grund keine langen Flachbandkabel zu beweglichen Teilen verlegen;
  • Geschwindigkeit auf 100 kHz reduzieren, wenn Fehler auftreten;
  • ordentliche Stecker und Zugentlastung verwenden;
  • bei langen Verbindungen eine andere Schnittstelle wählen: UART, CAN, RS-485 oder einen lokalen MCU direkt am Sensor.

Was vor dem Anschluss zu prüfen ist

Vor dem Anschluss eines I2C-Moduls prüfen:

  • Modulversorgung;
  • Logikpegel;
  • auf welchen Pegel SDA und SCL hochgezogen werden;
  • Geräteadresse;
  • ob die Adresse geändert werden kann;
  • ob ein Konflikt mit anderen Geräten besteht;
  • Leitungslänge;
  • ob Firmware-Unterstützung vorhanden ist;
  • welcher MCU und Bus für das Gerät verwendet wird;
  • ob Hardware-I2C oder Software-I2C benötigt wird.

Typische Fehler

  • SDA und SCL vertauscht;
  • gemeinsames GND vergessen;
  • 5-V-Pull-ups an einem 3,3-V-Controller angelegt;
  • zwei Geräte haben dieselbe Adresse;
  • Hexadezimaladresse angegeben, wo Dezimal erwartet wurde;
  • zu lange Leitungen verwendet;
  • viele Module mit Pull-up-Widerständen angeschlossen;
  • ein von der Firmware nicht unterstütztes Modul gewählt;
  • Gerät an einen zusätzlichen MCU angeschlossen, aber i2c_mcu nicht angegeben;
  • I2C und I2S verwechselt.

Fazit

I2C ist praktisch für kleine Displays, Sensoren und Hilfsmodule in der Nähe des Controllers. Es erfordert SDA, SCL, Stromversorgung und gemeinsames GND.

Wichtigste Prüfpunkte vor dem Anschluss: Adresse, 3,3-V/5-V-Pegel, Pull-up-Widerstände, Leitungslänge und Firmware-Unterstützung. In der störungsreichen Druckerumgebung I2C kurz halten.

Weiterführende Materialien