Aplicações do protocolo I2C em sistemas microcontrolados

Ítallo Santos Lima e Silva1, Jorge Ricardo de Araujo Kaschny2

1
Graduando do Curso de Engenharia Elétrica – IFBA, Campus Vitória da Conquista. e-mail: itallosilva@gmail.com
2
Professor Adjunto – IFBA, Campus Vitória da Conquista. e-mail: jrkaschny@physika.info

Resumo: Na presente contribuição apresentamos um conjunto de montagens didáticas relacionadas

com a aplicação do protocolo I2C em sistemas microcontrolados. Para isso, empregamos micro-
controladores AVR, fabricados pela ATMEL, e exploramos diversos dispositivos I2C facilmente
encontrados no mercado. Em cada caso, foi possível estudar os princípios básicos de operação de tais
dispositivos bem como efetuar a construção de pequenos protótipos que permitiram explorar a
capacidade de cada um deles. Para o desenvolvimento do firmware utilizamos a plataforma de
desenvolvimento BASCOM. Tais montagens podem ser facilmente aplicadas em atividades práticas
nas disciplinas de eletrônica digital e microcontroladores, por um custo altamente convidativo.

Palavras–chave: microcontroladores, eletrônica digital, protocolo I2C.

1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a utilização de microcontroladores se faz cada vez mais presente nas mais
inusitadas áreas. Eles são utilizados em quase todos os equipamentos eletro-eletrônicos presentes em
nosso cotidiano, possuindo as mais surpreendentes aplicações. Essa tendência tecnológica se deve aos
grandes avanços da microeletrônica e dos diversos outros setores envolvidos no projeto e produção de
dispositivos semicondutores. De fato, nos dias de hoje, o baixo custo, a facilidade na aquisição de
componentes no mercado eletrônico e a existência de plataformas bastante eficientes para o
desenvolvimento de programas (firmware), atuam como fatores motivadores para o desenvolvimento
de novas aplicações. Tais fatores popularizaram algo que era basicamente restrito ao ambiente
empresarial e acadêmico, viabilizando a criação de soluções em pequena escala por projetistas
independentes. Assim, tendo em mente a flexibilidade e a gama de aplicações dos microcontroladores,
é possível observar que em muitos casos o foco principal no desenvolvimento de um projeto passou
gradualmente da construção de um circuito dedicado para a elaboração de um firmware conveniente.
Em termos práticos, o desenvolvimento de um projeto utilizando um microcontrolador
comumente conduz o projetista a conviver e se acostumar com as limitações imposta por cada
dispositivo. Durante o desenvolvimento de uma aplicação é comum nos depararmos com os problemas
que envolvem a pequena quantidade de memória e principalmente o numero finito de portas de
entrada e saída (I/O). Portanto, a busca de soluções que procurem adequar tais limitações aos objetivos
de um projeto se torna algo fundamental. Entre tais soluções encontramos os barramentos de
comunicação serial, que são altamente convenientes visto que necessitam de um menor numero de
portas de I/O quando comparadas com barramentos paralelos.
Entre as diversas opções, temos o protocolo de comunicação serial I²C, que foi criado na década
de 1990 pela Philips Semiconductor Division – atual NXP (NXP, 2012), tendo como propósito inicial
a interconexão de microprocessadores a dispositivos controladores utilizados em equipamentos de
áudio e principalmente televisores. A motivação da Philips partiu da necessidade imperativa de reduzir
o numero de vias de interconexão entre a central de processamento (cpu – microprocessador ou
microcontrolador) e os demais dispositivos periféricos, com o objetivo de reduzir a complexidade dos
circuitos e otimizar sua produção. Os estudos levaram então a criação de um barramento de 2 fios,
denominado I²C (Inter- Integrated Circuit), ou seja, barramento para interconexão de circuitos
integrados, que constitui uma interface simples, prática e padronizada.
Hoje em dia, temos a nossa disposição no mercado a mais variada gama de dispositivos
periféricos utilizando o protocolo I²C. Tal variedade abrange extensores de portas de I/O, conversores
analógico-digital (ADC), conversores digital-analogico (DAC), módulos relógio/calendário, sensores,
teclados, módulos TCP/IP, mostradores (displays), controladores de áudio analógico e até mesmo
sintonizadores completos de radio e televisão. Dessa maneira, tendo em mente tais considerações,
apresentamos a seguir um conjunto de montagens didáticas relacionadas com aplicações do protocolo
I2C em sistemas microcontrolados, procurando explorar e divulgar as suas potencialidades.

2. MATERIAIS E MÉTODOS
O barramento I2C consiste fisicamente de duas vias. A primeira delas corresponde ao relógio
(clock) de comunicação – chamada SCL (serial clock line), sendo a segunda responsável pela
comunicação bidirecional de dados - SDA (serial data line). Nesse tipo de protocolo, o dispositivo que
inicia a comunicação é chamado de mestre (master), sendo os demais, que são por ele controlados,
chamados de escravos (slaves). O clock de comunicação é comumente ditado pelo dispositivo mestre,
sendo a troca bidirecional de informações evidentemente efetuada de forma serial. Tais informações
podem ser constituídas de dados, endereços ou mesmo comandos. Dessa forma, o dispositivo mestre
pode efetuar tanto uma escrita como uma leitura via a linha SDA. Uma visão geral desse barramento é
ilustrada na figura 1, onde GND e VCC representam as linhas de alimentação (0/5V) dos dispositivos.

Figura 1 – Diagrama ilustrando um barramento I2C. A linha SCL corresponde à via de clock e
a SDA a linha bidirecional de dados. GND e VCC correspondem à alimentação (0/5V).

A comunicação com os dispositivos escravos é sempre inicializada pelo dispositivo mestre. A

identificação é feita pelo endereço de cada dispositivo escravo. Tal endereço é em parte fixado pelo
fabricante, possibilitando ao projetista somente um certo ajuste. O protocolo utiliza-se das duas linhas
para efetuar a comunicação, ou seja, os critérios de partida e de parada do fluxo, assim como os dados
a serem enviados ou recebidos pelo mestre, são controlados pelas linhas SCL e SDA. O critério de
partida e parada é determinado pela variação do estado da linha de dados, estando a linha de clock em
nível alto. Para o envio de dados, é necessário que haja uma mudança de estado da linha SDA no
momento em que a linha de clock estiver em nível baixo, sendo o dado validado no ponto de transição
da linha de clock (de baixo para alto). Resumidamente, o mestre inicia a comunicação com a condição
de partida, envia ao barramento o endereço do dispositivo que deseja se comunicar, seleciona entre
leitura ou escrita, aguarda validação e a partir deste momento troca dados com o dispositivo escravo
até que seja enviada a condição de parada. Tal fluxo é ilustrado esquematicamente abaixo.

Figura 3 – Diagrama geral ilustrando o fluxo de endereço e dados em um barramento I2C.

 Como mencionado anteriormente, devido a sua simplicidade, o protocolo I2C foi largamente
aceito pelo mercado e adotado por diversos fabricantes de semicondutores tais como Atmel, Intel,
Texas, etc, alem da própria NXP. Uma das vantagens de se utilizar o barramento em aplicações
microcontroladas está na economia de portas de I/O do microcontrolador, pois para o seu
funcionamento são necessários somente dois pinos. Isso contribui significativamente para simplificar o
projeto de um circuito microcontrolado, dispensando a utilização de estratégias mais complicadas para
multiplexação das portas de I/O. Alem disso, o I2C possibilita a conexão de um numero significativo
de dispositivos em um mesmo barramento (em principio até 128) sem a necessidade da inclusão de um
hardware adicional. Tendo em mente que o clock é ditado pelo mestre, uma outra vantagem esta no
fato de que a comunicação não fica limitada a uma taxa de transmissão (baud rate) fixa sendo,
portanto, algo flexível. Porém, é típico que a comunicação tenha a tendência de ser mais lenta. Na
versão padrão do protocolo I2C, que é a mais encontrada, a velocidade de comunicação é prevista para
atingir até 100 kbits/s. Portanto, é comum falarmos que o I2C é realmente eficiente somente para
aquelas aplicações onde a velocidade do fluxo de informações não é um fator critico ou determinante.
Contudo, cabe mencionar que revisões atualizadas citam a implementação de um modo de alta
velocidade que pode atingir 3.4 Mbits/s. Entretanto, dispositivos com tais características são
atualmente bem menos freqüentes no mercado comum.
Nas montagens e testes que realizamos foi utilizado como mestre o microcontrolador ATmega8,
fabricado pela Atmel (ATMEL, 2012), com o qual já possuímos uma razoável experiência e boa parte
da infra-estrutura necessária. Obviamente o uso do protocolo I2C não está limitado a essa família de
microcontroladores, podendo ser usado em conjunto com qualquer microcontrolador disponível no
mercado. A elaboração do firmware foi efetuada utilizando a linguagem basic, via a plataforma de
desenvolvimento BASCOM (MCS, 2012), conjuntamente com um gravador AVR-910/USB
(PHYSIKA, 2012), desenvolvido previamente. A escolha de tal plataforma se deu originalmente pela
variedade de recursos oferecidos, onde são combinados uma linguagem de rápido aprendizado com
um substancial número de bibliotecas dedicadas às mais variadas finalidades. Evidentemente, outras
plataformas encontram-se disponíveis na Internet, como por exemplo, o ATMEL STUDIO (ATMEL,
2012) que opera em conjunto com o compilador de código aberto AVR-GCC (WINAVR, 2012).
Os dispositivos I²C utilizados foram: (i) um extensor de entrada e saída de 8 bits - PCF8574
(PHILIPS, 2002), (ii) memórias EEPROM com 512 kBits - AT24C512B (ATMEL, 2012) e (iii) um
relógio de tempo real com calendário - PCF8583 (NXP, 2010). Adicionalmente, exploramos o
desenvolvimento de um display operando como periférico I2C. Para isso empregamos um PCF8574
em conjunto com um display LCD alfanumérico com 16 colunas e 4 linhas - JHD539-164B
(SHENZHEN, 2012). Para os teste de operação utilizamos a porta serial disponível no
microcontrolador para se comunicar com um computador pessoal (PC). De fato, a alimentação do
protótipo foi fornecida pela porta USB de tal PC. Toda a comunicação entre o protótipo
microcontrolado e o microcomputador foi efetuada usando um conversor UART/USB – FT232R
(FTDI, 2012), em conjunto com o HyperTerminal (ou similar) disponível no Windows. A escolha de
tal conversor se deve não somente a uma questão de conveniência, com também a disponibilidade de
drivers, oferecidos pelo fabricante para os sistemas operacionais Windows e Linux.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Como visto, cada dispositivo escravo, conectado ao barramento, deve possuir um endereço
específico. Esse endereço consiste em uma seqüência de oito bits, onde tipicamente os quatro bits mais
significativos são configurados pelo fabricante. Os três bits seguintes são configurados pelo usuário,
via pinos específicos, disponíveis no circuito integrado. O bit menos significativo é reservado para
selecionar entre operações de leitura e escrita no dispositivo escravo. Com a variação dos bits
disponíveis ao usuário é possível obter até oito combinações diferentes de endereço, possibilitando a
incorporação de até oito dispositivos idênticos em um mesmo barramento. Contudo, são observadas
algumas variações que dependem especificamente do dispositivo. Este é o caso do PCF8583 que
disponibiliza apenas um pino para configuração do endereço. Para melhor ilustrar esses detalhes,
apresentamos na tabela a seguir as características do endereçamento dos dispositivos utilizados.
 Tabela 1 – Endereçamento dos dispositivos I²C utilizados.
Especificação do Endereço
Dispositivo Faixa de Endereçamento
Fabricante Usuário* Tipo de Operação**
0100 A2 A1 A0 0 de 01000000 a 01001110
PCF8574
0100 A2 A1 A0 1 de 01000001 a 01001111
1010 A2 A1 A0 0 de 10100000 a 10101110
AT24C512B
1010 A2 A1 A0 1 de 10100001 a 10101111
1010000 A0 0 10100000 ou 10100010
PCF8583***
1010000 A0 1 10100001 ou 10100011
* O usuário pode selecionar o estado de cada pino (A0, A1 ou A2) de acordo com a necessidade do projeto.
** Este constitui o bit menos significativo e seleciona entre as operações de escrita (0) ou leitura (1).
*** Em particular, este dispositivo possui somente um pino (A0) para configuração do endereço.

Uma visão geral do protótipo pode ser vista no diagrama esquemático mostrado na figura 2.
Como podemos observar, empregamos aqui um microcontrolador ATmega8 como dispositivo mestre
e incluímos todos os dispositivos acima mencionados de forma a ilustrar a aplicabilidade do protocolo
I2C no controle de diversos dispositivos.

Figura 3 – Diagrama esquemático do sistema microcontrolado usando barramento I2C.

Para a elaboração do firmware, utilizando a plataforma de desenvolvimento BASCOM, são

usadas as rotinas da biblioteca i2c.lib (ou i2c.lbx), incluídas no pacote do aplicativo. Salienta-se que as
particularidades na passagem e no fluxo de instruções, bem como na leitura e escrita de dados, devem
observar as especificações técnicas de cada dispositivo escravo. Contudo, em termos gerais, e após a
configuração dos pinos SCL e SDA, a comunicação segue os seguintes passos: (i) O mestre inicializa
o barramento utilizando o comando I2cstart; (ii) Envia um byte contendo o endereço do dispositivo
que deseja se comunicar via o comando I2cwbyte, especificando também o tipo de operação que será a
seguir efetuada, ou seja, leitura ou escrita; (iii) Após a confirmação do recebimento do comando por
parte dispositivo escravo, algo que é transparente ao programador, o mestre executa o comando de
escrita (I2cwbyte) ou leitura (I2crbyte) correspondentemente com o especificado na etapa ii, e; (iv)
Finaliza o barramento via o comando I2cstop. Nos casos onde é necessário alternar operações de
leitura e escrita devemos observar que o barramento deve ser reinicializado convenientemente. Um
exemplo de tal situação é o caso onde desejamos efetuar uma leitura do conteúdo de um determinado
endereço armazenado na memória EEPROM. Na primeira etapa o barramento é inicializado para
escrita, escrevendo-se em seguida os bits mais significativos do endereço a ser lido seguido pela
escrita dos bits menos significativos. Após tal etapa, reinicializa-se o barramento para leitura, sem que
o mesmo tenha sido finalizado. Assim, efetua-se a respectiva operação leitura do endereço desejado e,
somente após tal passo, finaliza-se o barramento.
Como sugestões de aplicações imediatas do barramento I2C, apresentamos uma expansão de
memória não volátil, com capacidade de 8×512 kbits, e um display alfanumérico operado via tal
barramento. Na figura 4 temos o diagrama esquemático da expansão de memória, onde devemos
observar a alternância entre a ligação dos pinos A0, A1 e A2 ao GND e VCC, em cada chip de
memória, de maneira a compor um banco cujo endereçamento ocupa toda a faixa indicada na tabela 1.

Figura 4 – Diagrama esquemático de um banco de memória não volátil usando barramento I2C.

Correspondentemente, na figura 5, é mostrado o diagrama esquemático de um display alfanumérico

I2C composto pela combinação do modulo JHD539-164B e do extensor de I/O PCF8574. Salienta-se
que neste caso o controle de tal display passa a ser feito no BASCOM via as rotinas disponibilizadas
na biblioteca lcd_i2c.lib (ou lcd_i2c.lbx), sem maiores repercussões na tarefa de programação. Tal
aplicação oferece um comparativo bastante conveniente das vantagens do barramento I2C.
Tipicamente um display alfanumérico emprega no mínimo 6 portas de I/O, ou seja, usualmente ele
necessita 4 portas a mais que o necessário para implementação do mesmo recurso utilizando a
abordagem esquematizada na figura 5. Portanto, fica claramente exemplificado que a aplicação do
barramento I2C é refletida diretamente na “economia” de portas de I/O, algo bem importante a ser
considerado durante o projeto de um sistema microcontrolado. Adicionalmente, cabe observar que o
display I2C esquematizado na figura abaixo pode ser diretamente conectado ao circuito da figura 3,
constituindo um bom exemplo da flexibilidade do barramento.

Figura 5 – Diagrama esquemático de um display controlado via protocolo I2C.

Para ilustrar outra aplicação prática, mostramos na figura 6 a combinação do display acima
descrito com um PCF8583 em uma montagem experimental de um relógio/calendário micro-
controlado. O PCF8583 pode ser eventualmente substituído pelo DS1307 que também é um
relógio/calendário I2C. Salienta-se que tais dispositivos constituem uma das maneiras mais praticas de
se obter as funcionalidades típicas de um relógio e de um calendário, sendo sua presença bem usual
em diversos eletrodomésticos.

Figura 6 – Montagem experimental de um relógio/calendário utilizando o protocolo I2C.

 Finalizando, ressaltamos a importância da inclusão de atividades praticas em disciplinas que
abordam o desenvolvimento de sistemas microcontrolados. Sendo assim, atividades que visem a
divulgação das diversas tecnologias e recursos disponíveis, entre eles o protocolo I2C, são de grande
utilidade. Nesse contexto, as montagens apresentadas e as informações aqui divulgadas podem
contribuir positivamente para tal esforço. Tendo em mente que todas as montagens comentadas acima
foram efetuadas usando um protoboard, o custo de implementação em um laboratório didático
consistirá basicamente do custo dos componentes empregados e da construção do gravador. Apesar da
plataforma BASCOM ser um software comercial, a versão disponível para download permite o
desenvolvimento de firmwares com até 4 kbytes, o que preenche muito bem a maioria das
necessidades usuais. Alternativamente é possível empregar a plataforma gratuita ATMEL STUDIO,
que utiliza o compilador de código livre AVR-GCC, fazendo uso da biblioteca twi.h para comunicação
via I2C. Indo alem, é possível o projeto futuro de um kit de desenvolvimento que disponibilize, entre
outros recursos, tal protocolo.

4. CONCLUSÕES
Em resumo, apresentamos na presente contribuição um conjunto de montagens didáticas
relacionadas com aplicações do protocolo I2C em sistemas microcontrolados. Em cada caso, foi
possível estudar os princípios básicos de operação de tais dispositivos, bem como efetuar a construção
de pequenos protótipos que permitiram explorar a capacidade de cada um deles. Tais montagens
podem ser facilmente aplicadas em atividades práticas nas disciplinas de eletrônica digital e
microcontroladores, por um custo altamente convidativo.

AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao IFBA, Instituto Federal da Bahia, e a FAPESB, Fundação de Amparo a
Pesquisa do Estado da Bahia, pelo apoio ao presente trabalho via a concessão de uma bolsa através do
Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Cientifica (PIBIC).

REFERÊNCIAS
ATMEL. AVR Microcontrolers. Disponível em: <http://www.atmel.com> Acesso em 8 ago 2012.
ATMEL. Serial EEPROM. Disponível em: <http://www.atmel.com> Acesso em 8 ago 2012.
FTDI. FT232R USB UART I.C. Disponível em: <http://www.ftdichip.com> Acesso em 8 ago 2012.
MCS. Bascom AVR. Disponível em: <http://www.mcselec.com> Acesso em 8 ago 2012.
NXP. PCF8582 - Data Sheet. Disponível em: <http://www.nxp.com> Acesso em 8 ago 2012.
NXP. I2C Specification and User Manual. Disponível em:
<http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf> Acesso em 8 ago 2012.
PHILIPS. PCF8574 - Data Sheet. Disponível em: <http://www.nxp.com> Acesso em 8 ago 2012.
PHYSIKA. Programador AVR910 Versão USB. Disponível em:
<http://physika.info/physika/index.php/progavrusb.html> Acesso em 8 ago 2012.
SHENZHEN. JHD539-164B - 16X4 Characters - Data Sheet. Disponível em
<http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/276143/JHD/JHD539-164B.html> Acesso em 8 ago 2012.
WINAVR, Open Source Software Development Tools for the Atmel AVR Microcontrollers.
Disponível em <http://winavr.sourceforge.net> Acesso em 8 ago 2012.