{"id":1268,"date":"2016-07-08T22:02:09","date_gmt":"2016-07-08T22:02:09","guid":{"rendered":"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/myblog\/?p=1268"},"modified":"2016-07-08T22:02:09","modified_gmt":"2016-07-08T22:02:09","slug":"meine-arduino-i2c-tests-blinkm-und-rtc-module","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/myblog\/2016\/07\/08\/meine-arduino-i2c-tests-blinkm-und-rtc-module\/","title":{"rendered":"Arduino und ESP8266: Fallstricke bei I2C"},"content":{"rendered":"<p>Die <a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/myblog\/index.php\/2016\/06\/12\/i2c-grundlagen\/\">I2C-Schnittstelle<\/a> ist eine der einfachsten M\u00f6glichkeiten, eine Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und externen Komponenten wie Sensoren oder anderen Mikrocontrollern zu realisieren. Die Komplexit\u00e4t ist vor allem in der Software versteckt (individuelle Adressierung etc.) aber auch bereits die scheinbar triviale Zweidraht-Verbindung l\u00e4uft nicht immer so auf Anhieb, wie man denken w\u00fcrde.<\/p>\n<p>In meinem Bastellager haben sich schon einige I2C Module angesammelt, die ich noch nicht gebraucht habe oder jedenfalls nicht kombiniert gleichzeitig am selben Bus. Von den dabei gemachten Erfahrungen und Messungen m\u00f6chte ich hier berichten.<\/p>\n<h4><\/h4>\n<h4>Getestete Teile<\/h4>\n<p>Zum Testen verwendete ich einen I2C Scanner Code, wie er an verschiedenen Orten zu finden ist, z.B. f\u00fcr Arduinos im Arduino Playground. Mit dieser Software kann gepr\u00fcft werden, ob und bis zu welcher Geschwindigkeit eine I2C Verbindung zur I2C Komponente hergestellt werden kann.\u00a0Als Mikrocontroller wurde ein Arduino 2009 5V mit aktivierten I2C Pullups verwendet. Arduinos sind generell 5V Devices, mit ein paar Ausnahmen.<\/p>\n<p>Zum Vergleich kam auch ein ESP8266 zum Einsatz. Achtung: ESP8266 l\u00e4uft mit 3.3V und ist laut Datenblatt\u00a0nicht 5V tolerant.\u00a0F\u00fcr den Anschluss am ESP8266 wurde anf\u00e4nglich ein Level Shifter nach http:\/\/playground.arduino.cc\/Main\/I2CBi-directionalLevelShifter verwendet.\u00a0Danach habe ich den weggelassen (siehe den Abschnitt zum ESP8266).<\/p>\n<p>Als Spickzettel sieht man die standard I2C Adressen in den Bildern \ud83d\ude09<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h4>Die Ergebnisse<\/h4>\n<p><strong>BlinkM Modul und ein RTC Modul<\/strong><\/p>\n<p>Im 1. Test habe ich ein Uhrmodul von Adafruit mit einem Chip vom Typ DS1307 (<a href=\"https:\/\/learn.adafruit.com\/ds1307-real-time-clock-breakout-board-kit\/arduino-library\" target=\"_blank\">Tutorial)<\/a> zusammen mit einem BlinkM (siehe Google oder <a href=\"http:\/\/wiki.ros.org\/rosserial_arduino\/Tutorials\/BlinkM\" target=\"_blank\">diesen Testcode<\/a>) angeschlossen. Das BlinkM habe ich schon am Raspberry PI problemlos eingesetzt.<\/p>\n<p>Das erste RTC Modul tat nichts &#8211; Hardware defekt. Mit einem 2. gleichen gab es dann keine \u00dcberraschung mehr, beide wurden stabil bis zu 800 kHz erkannt, sowohl beim Arduino, als auch beim ESP8266 (an 3.3v).<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image001-2.png\"><img loading=\"lazy\" style=\"background-image: none; padding-top: 0px; padding-left: 0px; margin: 0px; display: inline; padding-right: 0px; border: 0px;\" title=\"clip_image001\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image001_thumb-2.png\" alt=\"clip_image001\" width=\"479\" height=\"114\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p><strong>Module von Gravitech<\/strong><\/p>\n<p>Gravitech bietet verschiedene I2C Module an.<\/p>\n<p>Das I2C-ADC funktioniert tadellos, aber die Dokumentation passt nicht (es ist spiegelverkehrt gel\u00f6tet).<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image003-1.png\"><img loading=\"lazy\" style=\"background-image: none; padding-top: 0px; padding-left: 0px; margin: 0px; display: inline; padding-right: 0px; border: 0px;\" title=\"clip_image003\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image003_thumb-1.png\" alt=\"clip_image003\" width=\"489\" height=\"92\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image004-1.png\"><img loading=\"lazy\" style=\"background-image: none; padding-top: 0px; padding-left: 0px; margin: 0px; display: inline; padding-right: 0px; border: 0px;\" title=\"clip_image004\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image004_thumb-1.png\" alt=\"clip_image004\" width=\"488\" height=\"410\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p>Das I2C-16IO Modul hat eigene Pullup auf 5V. Es funktionierte damit problemlos.<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image005-1.png\"><img loading=\"lazy\" style=\"background-image: none; padding-top: 0px; padding-left: 0px; margin: 0px; display: inline; padding-right: 0px; border: 0px;\" title=\"clip_image005\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image005_thumb-1.png\" alt=\"clip_image005\" width=\"488\" height=\"82\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p>Das I2C-OSC hat ebenfalls eigene Pullups auf 5V und ging auch.<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image006-1.png\"><img loading=\"lazy\" style=\"background-image: none; padding-top: 0px; padding-left: 0px; margin: 10px 0px 20px; display: inline; padding-right: 0px; border: 0px;\" title=\"clip_image006\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image006_thumb-1.png\" alt=\"clip_image006\" width=\"492\" height=\"111\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p>Das <a href=\"https:\/\/www.sparkfun.com\/products\/12918\" target=\"_blank\">Adafruit MCP4725 DAC<\/a> Modul funktionierte nur bis 100 kHz, falls man die Arduino Pullups aktiv liess. Das Modul hat selber 4.7k Pullup Widerst\u00e4nde, die mit einer <a href=\"https:\/\/learn.sparkfun.com\/tutorials\/mcp4725-digital-to-analog-converter-hookup-guide?_ga=1.72264083.1244510297.1472993501\" target=\"_blank\">L\u00f6tbr\u00fccke abgetrennt werden k\u00f6nnen<\/a>. Dann lief es problemlos auf allen Frequenzen.<\/p>\n<p><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image002-2.png\"><img loading=\"lazy\" title=\"clip_image002\" src=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/wp-content\/uploads\/2016\/06\/clip_image002_thumb-2.png\" alt=\"clip_image002\" width=\"482\" height=\"89\" border=\"0\" \/><\/a><\/p>\n<p><strong>ESP8266 NodeMCU<\/strong><\/p>\n<p>Der ESP8266 ist eigentlich nicht 5V-tolerant! Man kann so vergehen:<\/p>\n<ul>\n<li>einen richtigen Level Shifter verwenden. Ein echter Elektroniker meinte dazu: \u00a0&#8222;ich verwende nie einen LS&#8220;:<br \/>\n&#8222;Die Eing\u00e4nge des ESP haben \u00a0interne Dioden, die einen Strom von ~360uA aushalten (5V-3.3V)\/4.7k.\u00a0Es macht also bei 4.7k Pullup Widerst\u00e4nden den Eingang nicht kaputt, wenn diese fix an 5V h\u00e4ngen&#8220;<\/li>\n<li>&#8222;Besser w\u00e4re es, die Pullups an 3.3V zu h\u00e4ngen&#8220;. Das heisst, solange andere I2C Komponenten die Spannung von 3.3V als High Pegel zuverl\u00e4ssig erkennen k\u00f6nnen (Leitungsl\u00e4nge&#8230;)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Ein gefundenes I2C Scanner Programm aus dem Internet funktionierte generell nicht stabil mit dem ESP8266 bei Frequenzen \u00fcber 100 kHz. Vermutlich sind Timingkonstanten nicht richtig gesetzt.\u00a0Deshalb habe ich habe den Arduino I2C Scanner Code auf den ESP8266 angepasst und &#8230;<\/p>\n<p>&#8230;bin auf einen Dokumentationsfehler reingefallen:\u00a0laut der ESP Arduino Core Library Doku soll man bei der Wire.begin Funktion die Pin Nummer laut Beschriftung NodeMCU angeben, also z.B. Wire.begin(2,1) f\u00fcr SDA an D2=GPIO4 und SCL an D1=GPIO5. Das ist falsch: der Arduino Scanner mit Wire.begin() funktioniert ohne \u00c4nderung. Default bei Arduino ist ADC4 = SDA, ADC5 = SCL. Mit Wire.begin(2,1) geht das Terminal nicht mehr (Java Fehler, unlesbare Zeichen): GPIO1 ist TX0.<br \/>\nKorrekt ist bei ESP8266:\u00a0Wire.begin(D2,D1) f\u00fcr SDA=D2=GPIO4 und SCL=D1=GPIO5, Beim standard Arduino GPIO nur die Nummer ohne D angeben.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h4><strong>Fazit<\/strong><\/h4>\n<p>I2C l\u00e4uft meistens problemlos, wenn man ein paar Details beachtet:<\/p>\n<ol>\n<li>elektrische Spezifikation lesen: 5V oder 3.3V?<\/li>\n<li>wo sind Pullups aktiv? Es sollte immer nur eine Komponente am I2C Bus einen Pullup aktiv haben. Sonst funktioniert die Verbindung gar nicht oder nur wackelig bei niedrigen Frequenzen.\u00a0Darum sollte man die Arduino Pullups deaktivieren, wenn ein Modul selber Pullups hat, die sich nicht abschalten lassen. Alternativ kann man die Widerst\u00e4nde ausl\u00f6ten.<\/li>\n<li>nat\u00fcrlich verifizieren , dass alle Komponenten den Level verkraften. Beim ESP8266 geht das, solange man die Pullups gross genug w\u00e4hlt.\u00a0Also: maximale Current Sink F\u00e4higkeit der Eing\u00e4nge beachten resp. sicherstellen, dass Schutzdioden da sind. Ein kleiner Pullup-Strom ist aber nicht gut bei langen Leitungen.<\/li>\n<li>Kapazit\u00e4t und Widerstand (aka Leitungsl\u00e4nge) beachten, wenn man an die Grenzen der Spec geht.<\/li>\n<li>Der Profi: &#8222;der Einsatz von Level-Shifter bei h\u00f6heren Geschwindigkeiten kann problematisch sein&#8220;.<\/li>\n<li>Solange andere I2C Komponenten die Spannung von 3.3V als High Pegel zuverl\u00e4ssig erkennen k\u00f6nnen, verzichtet man besser auf einen Level Shifter und zieht auf 3.3V hoch.<\/li>\n<li>DerProfi: &#8222;Dass man die Module ohne Level-Shifter nicht sehen kann, kann an 6) \u00a0liegen oder daran, dass die Eingangskapazit\u00e4t zu gross ist&#8220;.<\/li>\n<\/ol>\n<p>In der Praxis: mach achte auf 1) und 2), dann gehts fast immer&#8230;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h4>Zum Nachlesen<\/h4>\n<ul>\n<li><a href=\"http:\/\/www.i2c-bus.org\/i2c-bus\/\" target=\"_blank\">I2C \u2013 What\u2019s That?<\/a><\/li>\n<li><a href=\"http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/myblog\/index.php\/2016\/06\/12\/i2c-grundlagen\/\" target=\"_blank\">http:\/\/wp.andreas.bieri.name\/myblog\/index.php\/2016\/06\/12\/i2c-grundlagen\/<\/a><\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Die I2C-Schnittstelle ist eine der einfachsten M\u00f6glichkeiten, eine Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und externen Komponenten wie Sensoren oder anderen Mikrocontrollern zu realisieren. 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