【初心者】I2Cとは？イラストを用いてわかりやすく解説　 

皆さんこんにちは！メカ旦那です。

電子工作やマイコンでよく聞く「I2C（アイツーシー）」。
シリアル通信の一種で、少ない配線で多数のデバイスと通信できるため、様々なセンサに利用されている規格です。

奥が深いですが、イラストを用いてわかりやすく解説します！

伝送方式

種類

通信方式は多種多様に存在し、色々な区分け方がありますが、データの伝送方式に着目すると、以下に分ける事ができます。

I2C（アイツーシー）は「デジタル、シリアル、クロック同期、半二重、シングルエンド」の特徴をもつ通信です。

よくわかりませんね、、、一つずつ解説します！

アナログ / デジタル

アナログは連続的な値を取りますが、デジタルは0と1の2値を用います。電話やラジオはアナログ通信が多いですが、PC、マイコン通信だとデジタルが主流となり、I2Cもデジタルになります。

パラレル / シリアル

デジタルは0か1を多数のbitで送受信しますが、パラレルは複数の信号線でまとめて通信します。対して、シリアルは1本の信号線を用いて通信します。その為、配線数が少なくて済むのが特長です。例としてパラレルはプリンター、シリアルはマウスやキーボードで利用されています。

一見、パラレル通信の方が一度に多くのデータを送信でき効率的に思えますが、配線が長くなると、各信号の時間ズレが発生し、上手く送受信できないことがあります。その為、最近の高速通信ではシリアルが主流になっています。I2Cもシリアル通信です。

クロック同期 / 非同期（調歩同期）

デバイス間で送受信する際、いつ送るのか、いつ受け取るのか、といったタイミング（クロック）を両者で認識する必要があります。クロックが両者で共有されている状態での通信はクロック同期と呼ばれています。対して、共有はされていませんが、各々独自のクロックを持って通信することを非同期（調歩同期）と言います。イメージは、クロック同期が同じ壁掛け時計を見ながら通信、非同期はそれぞれの腕時計を見ながら通信、ですかね。

同期通信はクロック専用の信号線がいるため、その分配線が多くなりますが、クロックが共有されているため、送受信にズレが生じないです。そのため、安定した高速通信が可能となります。I2Cは同期通信になります。

全二重（フルデュプレックス） / 半二重（ハーフデュプレックス）

データを送受信する際、2本の伝送路で別々に行う方式を全二重通信と呼びます。対して、1本でまとめて行う方式を半二重通信と言います。全二重は送受信を同時に行うことができるのに対し、半二重は同時に行えません。ただし信号線が1本で済むのがメリットです。I2Cは半二重になります。

シングルエンド（不平衡） / 差動（平衡）

先ほどデジタル通信で「0と1の2値を用いる」と説明しましたが、何を0とするのか、1とするのかの基準があります。信号電圧が、ある基準電圧より低い状態を0、高い状態を1とする方式をシングルエンドと呼びます。対して、信号が2つあり、電圧の差分から0,1を判別する方式を差動と言います。

シングルエンドは信号線が1本で済むメリットがありますが、ノイズが入った時に0を1(もしくはその逆)と誤認識してしまう恐れがあります。対して差動信号は信号線は2本いるものの、電圧差を見ている関係上、ノイズによる影響が少ないメリットがあります。I2Cはシングルエンドになります。 

リレーション

冒頭には記載していませんでしたが、通信方式によって接続できるマスター、スレーブの数が変わり、リレーションと呼ばれています。1対1、1対多、多対多があり、I2Cは1対多になります。

配線・注意点

配線図はこちらです。 ポイントは「信号線はSCL,SDAの2本、バス接続、プルアップ抵抗をつける、GNDを合わせる、配線長は短く」です。　 

SCL, SDA 

I2Cでは複数のマイコンを使いますが、指示を出す側をマスター、受け取る側をスレーブと言います。信号線はSCL、SDAの2本を使います。 SCLはマスターからスレーブへクロックを送る線、SDAはお互いにデータを送り合う線になります。　　

バス接続

前述した通りI2Cは半二重通信の為、1つのマスターに対して複数のスレーブを繋ぐ場合、信号線の共用化、いわゆるバス接続が可能です。 UART等の全二重通信はスレーブ毎に通信ポートや配線を増やさないといけないですが、I2Cはバス接続により最小限に抑える事が可能です。またスレーブの設置場所によって、電線の分岐点を変えることができ、柔軟な配線が可能です。　 

プルアップ抵抗 

一般的にマイコンやICから信号出力する際、プッシュプル、オープンドレイン(コレクタ)の2種類があります。I2Cはオープンドレインになります。つまり、0は出力できても1はできません。1を出力するには、プルアップ抵抗を接続する必要があります。 

抵抗値としては4.7〜10 kΩが一般的です。ただし接続するモジュールやセンサには最初からプルアップ抵抗が実装されていることがあります。 また、Arduino Unoなどのマイコンでは関数を使う事で内部プルアップを有効にできる場合があります。 それらの抵抗値が4.7〜10 kΩの場合、外付けは不要です(抵抗値がこれより低かったり高かったりすると通信が不安定になる可能性がある為、その場合は外付けした方が無難です。)。プルアップについては、下記で具体例を用いて詳しく解説していますのでご参考にしてください。　 

ちなみに、I2Cとよく比較されるSPIはプッシュプルの為、プルアップ抵抗が不要になります。

GNDを合わせる

前述の通り、シングルエンドは信号電圧によって0、1が決まります。ここで重要なのが、接続される全デバイスのGND電位を合わせる事です。 電位が合ってない場合、例えばマスターから0を送っても、スレーブでは不安定領域の電圧で1と誤認識されることがあります。 その為それぞれで電源が異なるなどGND電位が合っていない場合、必ずGND間を配線するようにしてください。 

長配線には弱い

I2Cは短距離通信を目的に設計されているため、配線が長くなるほど通信が不安定になります。更に、通信速度（クロックの速度）が速いほど不安定となります。イメージは以下になりますが、できるだけ配線は短く、通信速度は最小限を心がけてください。

通信速度	最大配線長（目安）
100kHz（標準）	約0.5～1m
400kHz	約0.3～0.5m
1MHz	数十cm

もし長くしたい場合は、I2Cリピータを配線間に接続したり、シールドケーブルを使うのがオススメです。このリピータですと、Texas Instrumentsのデータシート上では最大50 m まで可能と記載されています。

接触不良にも弱い

これはブログ主の経験則になりますが、上記の長距離配線＆リピータありでI2C通信を行った所、通信が頻繁に途絶えるという事がありました。色々調べたところ、ブレッドボードやジャンパーワイヤー接続部分の接触不良が原因と判明しました。その為ユニバーサル基板、コネクタをはんだづけして接触不良を極力なくした所、問題は解決しました。

普通のIO通信ですと、多少接触が悪くても動作が止まることは少ないですが、I2Cは高速で連続的なビットが送受信される為、1ビットでもおかしくなるとデータ全体が破損し、結果通信が途絶える事があります。

もし接触不良が疑われる場合、ユニバーサル基板でのはんだづけや、コネクタを利用するなど接触不良を極力少なくすることを心がけてみてください！

通信手順

マスターからスレーブへ

マスターからスレーブへデータを送る場合、以下の順序になります。

スレーブからマスターへ

逆にスレーブからマスターへデータを送る場合、以下の順序になります。
（先ほどとの違いを太字にしています。）

ライブラリ

通信手順は以上となりますが、ライブラリ（smbus2、Wire.hなど）を用いることで、簡単に構築する事ができます。 今後、ラズパイやArduinoを用いた事例を記事にしますので、詳しくはそちらで解説します！

UART、SPI、I2Cの違い

マイコンによく付いているシリアル端子として、UART、SPI、I2Cがあります。どれもマイコン⇔センサ間にはよく用いられる規格ですが、違いについて表にまとめてみました。

まとめ

I2Cの特徴をまとめると、以下になります。

省配線で複数デバイスと通信できるため、様々なセンサで利用されています。