Взаимодействие с I2C устройствами и анализ сигналов шины с помощью цифрового ввода-вывода

Открыть сценарий

Взаимодействие с приборами и устройствами на уровне протокола, а также на физическом уровне. Используйте функцию I2C панели инструментов управления приборами для связи с датчиком температуры TMP102 и одновременно проанализируйте связь физического уровня I2C шины с помощью функции цифрового ввода-вывода с синхронизацией панели инструментов сбора данных.

Требуются инструментарий сбора данных и инструментарий управления приборами.

Конфигурация оборудования и схема

Может использоваться любое поддерживаемое устройство National Instruments™ DAQ с синхронизированными каналами DIO (например, NI Elvis II)
Адаптер хоста TotalPhase Aardvark I2C/SPI
TMP102 Цифровой датчик температуры с двухпроводным последовательным интерфейсом

Для TMP102 требуется источник питания 3,3 В. Используйте линейный LDO (LP2950-33) для генерации питания 3,3 В из линии питания 5 В устройства DAQ.

Альтернативные варианты включают в себя:

Используйте внешний источник питания.
Используйте аналоговый выходной канал устройства DAQ.

Соединитесь с датчиком TMP102 Используя адаптер хозяина I2C и прочитанные температурные данные

Подключите датчик и проверьте связь с ним с помощью объекта I2C из панели инструментов управления приборами.

aa = instrhwinfo('i2c', 'aardvark');      % Get information about connected I2C hosts
tmp102 = i2c('aardvark',0,hex2dec('48')); % Create an I2C object to connect to the TMP102
tmp102.PullupResistors = 'both';          % Use host adaptor pull-up resistors
fopen(tmp102);                            % Open the connection
data8 = fread(tmp102, 2, 'uint8');        % Read 2 byte data
% One LSB equals 0.0625 deg. C
temperature = ...
    (double(bitshift(int16(data8(1)), 4)) +...
     double(bitshift(int16(data8(2)), -4))) * 0.0625; % Refer to TMP102 data sheet to calculate temperature from received data
fprintf('The temperature recorded by the TMP102 sensor is: %s deg. C\n',num2str(temperature));
fclose(tmp102);

The temperature recorded by the TMP102 sensor is: 27.625 deg. C

Получение соответствующих сигналов физического уровня I2C с помощью устройства DAQ

Использовать избыточно дискретизированные синхронизированные цифровые каналы от NI Elvis (Dev4) для получения и анализа сообщений физического уровня по шине I2C.

Получение данных SDA на порт 0, линия 0 устройства DAQ. Получение данных SCL для порта 0, линия 1 устройства DAQ.

dd = daq("ni");
addinput(dd,"Dev4","port0\line0","Digital"); % sda
addinput(dd,"Dev4","port0\line1","Digital"); % scl

Генерация тактового сигнала для использования с цифровой подсистемой

Цифровые подсистемы на устройствах NI DAQ не имеют собственных часов; они должны совместно использовать часы с аналоговой подсистемой или импортировать часы из внешней подсистемы. Генерация 50% тактового цикла при частоте 1 МГц с использованием PulseGeneration и установите частоту сканирования на входе в соответствие.

pgChan = addoutput(dd,"Dev4","ctr1"),"PulseGeneration");
dd.Rate = 1e6;
pgChan.Frequency = dd.Rate;

Часы генерируются на контакте 'pgChan.Terminal', обеспечивая синхронизацию с другими устройствами и просмотр часов на осциллографе. Выходной импульсный сигнал счетчика импортируется как тактовый сигнал.

disp(pgChan.Terminal);
addclock(dd,"ScanClock","External",["Dev4/" pgChan.Terminal]);

PFI13

Получение сигналов I2C с использованием синхронизированных цифровых каналов

Получение данных в фоновом режиме из цифровых линий SDA и SCL.

Запуск сбора данных в фоновом режиме
Запуск операций I2C
Остановить получение данных после завершения I2C операций

start(dd, "continuous");
fopen(tmp102);
data8 = fread(tmp102, 2, "uint8");
% One LSB equals 0.0625 deg. C
temperature = (double(bitshift(int16(data8(1)), 4)) +...
    double(bitshift(int16(data8(2)), -4))) * 0.0625;
fclose(tmp102);
pause(0.1);
stop(dd);
myData = read(dd, "all");

Warning: Triggers and Clocks will not affect counter output channels.

Постройте график необработанных данных для просмотра полученных сигналов. Обратите внимание, что линии удерживаются на высоком уровне в периоды простоя. В следующем разделе показано, как найти биты условий запуска/остановки и использовать их для выделения областей, представляющих интерес в I2C связи.

figure("Name", "Raw Data");
subplot(2,1,1);

plot(myData(:,1));
ylim([-0.2, 1.2]);
ax = gca;
ax.YTick = [0,1];
ax.YTickLabel = {'Low','High'};
title("Serial Data (SDA)");
subplot(2,1,2);
plot(myData(:,2));
ylim([-0.2, 1.2]);
ax = gca;
ax.YTick = [0,1];
ax.YTickLabel = {'Low','High'};
title("Serial Clock (SCL)");

Анализ связи шины физического уровня I2C

Извлеките I2C сигналы физического уровня на линиях SDA и SCL.

sda = myData(:,1)';
scl = myData(:,2)';

Найдите все поднимающиеся и падающие границы часов.

sclFlips = xor(scl(1:end-1), scl(2:end));
sclFlips = [1 sclFlips 1];
sclFlipIndexes = find(sclFlips==1);

Вычисление тактовых периодов из тактовых индексов

sclFlipPeriods = sclFlipIndexes(1:end)-[1 sclFlipIndexes(1:end-1)];

При проверке убедитесь, что периоды простоя имеют высокий уровень вероятности нежелательной почты для более чем 100 нас. Поскольку скорость сканирования = 1MS/s, каждый образец представляет 1 нас. idlePeriodIndices указать периоды активности в пределах I2C связи.

idlePeriodIndices = find(sclFlipPeriods>100);

Увеличьте изображение первого периода активности на шине I2C. Для удобства просмотра включите 30 образцов активности простоя в переднюю и конечную часть каждого графика.

range1 = sclFlipIndexes(idlePeriodIndices(1)) - 30 : sclFlipIndexes(idlePeriodIndices(2) - 1) + 30;
figure("Name", "I2C Communication Data");
subplot(2,1,1);
plot(sda(range1));
ylim([-0.2, 1.2]);
ax = gca;
ax.YTick = [0,1];
ax.YTickLabel = {'Low','High'};
title("Serial Data (SDA)");
subplot(2,1,2);
plot(scl(range1));
ylim([-0.2, 1.2]);
ax = gca;
ax.YTick = [0,1];
ax.YTickLabel = {'Low','High'};
title("Serial Clock (SCL)");

Анализ показателей производительности шины

В качестве простого примера проанализируйте метрики условий запуска и остановки и I2C вычисление скорости передачи битов.

Длительность условия запуска определяется как время, необходимое для снижения вероятности нежелательной почты после снижения ПДД.
Продолжительность состояния остановки определяется как время, необходимое для повышения ПДД после повышения вероятности нежелательной почты.
Скорость передачи битов вычисляется путем изменения времени между 2 возрастающими фронтами синхронизации.

Условие запуска: сначала низкий уровень SDA, затем низкий уровень вероятности нежелательной почты

sclLowIndex = sclFlipIndexes(idlePeriodIndices(1));
sdaLowIndex = find(sda(1:sclLowIndex)==1, 1, "last") + 1; % +1, flip is next value after last high
startConditionDuration = (sclLowIndex - sdaLowIndex) * 1/s.Rate;

fprintf('sda: %s\n', sprintf('%d ', sda(sdaLowIndex-1:sclLowIndex))); % Indexes point to next change, hence sclLowIndex includes flip to low
fprintf('scl: %s\n', sprintf('%d ', scl(sdaLowIndex-1:sclLowIndex))); % subtract 1 from sdaLowIndex to see sda value prior to flip
fprintf('Start condition duration: %d sec.\n\n', startConditionDuration); % count 5 pulses, 5 us.

sda: 1 0 0 0 0 0 0 
scl: 1 1 1 1 1 1 0 
Start condition duration: 5.000000e-06 sec.

Условие остановки: сначала высокий уровень вероятности нежелательной почты, затем высокий уровень ПДД

% flip prior to going into idle is the one we want
sclHighIndex = sclFlipIndexes(idlePeriodIndices(2)-1);
sdaHighIndex = find(sda(sclHighIndex:end)==1, 1, 'first') + sclHighIndex - 1;
stopConditionDuration = (sdaHighIndex - sclHighIndex) * 1/s.Rate;

fprintf('sda: %s\n', sprintf('%d ',sda(sclHighIndex-1:sdaHighIndex)));
fprintf('scl: %s\n', sprintf('%d ',scl(sclHighIndex-1:sdaHighIndex)));
fprintf('Stop condition duration: %d sec.\n\n', stopConditionDuration);

sda: 0 0 0 0 0 0 1 
scl: 0 1 1 1 1 1 1 
Stop condition duration: 5.000000e-06 sec.

Скорость передачи: Обратное время между 2 растущими краями на линии SCL

startConditionIndex = idlePeriodIndices(1);
firstRisingClockIndex = startConditionIndex + 2;
secondRisingClockIndex = firstRisingClockIndex + 2;
clockPeriodInSamples = sclFlipIndexes(secondRisingClockIndex) - sclFlipIndexes(firstRisingClockIndex);
clockPeriodInSeconds = clockPeriodInSamples * 1/s.Rate;
bitRate = 1/clockPeriodInSeconds;

fprintf('DAQ calculated bit rate = %d; Actual I2C object bit rate = %dKHz\n', ...
    bitRate,...
    tmp102.BitRate);

DAQ calculated bit rate = 1.000000e+05; Actual I2C object bit rate = 100KHz

Поиск битового потока путем дискретизации по нарастающим краям

sclFlipIndexes вектор был создан с использованием XOR и, следовательно, содержит как растущие, так и падающие края. Начните с переднего края и используйте шаг два, чтобы пропустить опускающиеся края.

% idlePeriodIndices(1)+1 is first rising clock edge after start condition.
% Use a step of two to skip falling edges and only look at rising edges.
% idlePeriodIndices(2)-1 is the index of the rising edge of the stop condition.
% idlePeriodIndices(2)-3 is the last rising clock edge in the bit stream to be
% decoded.
bitStream = sda(sclFlipIndexes(idlePeriodIndices(1)+1:2:idlePeriodIndices(2)-3));
fprintf('Raw bit stream extracted from I2C physical layer signal: %s\n\n', sprintf('%d ', bitStream));

Raw bit stream extracted from I2C physical layer signal: 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1

Декодирование полученного битового потока

ADR_RW = {'W', 'R'};
ACK_NACK = {'ACK', 'NACK'};
address = bitStream(1:7); % 7 bit address
fprintf('\nDecoded Address: %d%d%d%d%d%d%d(0x%s) %d(%s) %d(%s)\n', ...
    address,...
    binaryVectorToHex(address),...
    bitStream(8),...
    ADR_RW{bitStream(8)+1},...
    bitStream(9),...
    ACK_NACK{bitStream(9)+1});
for iData = 0:1
    startBit = 10 + iData*9;
    endBit = startBit + 7;
    ackBit = endBit + 1;
    data = bitStream(startBit:endBit);
    fprintf('Decoded Data%d: %s(0x%s) %d(%s)\n', ...
        iData+1,...
        sprintf('%d', data),...
        binaryVectorToHex(data),...
        bitStream(ackBit),...
        ACK_NACK{bitStream(ackBit)+1});
end

Decoded Address: 1001000(0x48) 1(R) 0(ACK)
Decoded Data1: 00011011(0x1B) 0(ACK)
Decoded Data2: 10100000(0xA0) 1(NACK)

Убедитесь, что декодированные данные с помощью DAQ соответствуют данным, считанным с помощью ICT

Два uint8 байты были прочитаны, с использованием fread, из шины I2C в переменную data8. Шестнадцатеричное преобразование этих значений должно соответствовать результатам декодирования шины, показанному выше.

fprintf('Data acquired from I2C object: 0x%s\n', dec2hex(data8)');
fprintf('Temperature: %2.2f deg. C\n\n', temperature);

Data acquired from I2C object: 0x1BA0
Temperature: 27.63 deg. C

Документация