「IICバス通信ドライバのデバッグ」

ソフテックだより第79号「I/Oポートを使用したIICバス通信の実現方法について」で、IICバス通信の通信例について説明されています。
本号では、私が担当したCPUのIICバスインタフェースを使ったドライバソフト開発を例として、紹介します。

IICバス通信は、フィリップス（PHILIPS）社で開発した同期式のシリアル通信の規格で、複数のEEPROMやLCDドライバ（スレーブ）を接続することができます。
一般的に、通信は基板内などの近距離のものに使われます。また、I2Cと書くこともあります。

信号線は、シリアルクロック線（SCL）と、シリアルデータ線（SDA）があります。
この2線だけで、制御側（マスター）と、IC（スレーブ）の通信を行います。
スレーブは、個別のアドレスがあり、それを元にひとつのマスターと複数のスレーブとで通信を行います。

SCLは、同期をとるための信号線でマスター側から出力します。
SDAは、個別のデバイスアドレス、リード/ライトの区別、デバイス内のメモリーアドレス、実際のデータ、といった形式になります。

担当したドライバソフト開発では、図1の構成で、EEPROMとIICバス通信を行いました。
マスターを起動して、EEPROMからデータを読み込んで、そのデータをアプリケーションの設定値として使います。
また、アプリケーションの動作中に設定値の変更がある場合、変更後のデータをEEPROMに書き込みます。

図1. IICバス通信の構成

CPUのIICバスインタフェースを使って、実現する場合、スタート、リード・ライト指定、ストップなどの手順、動作をレジスタの設定により、簡単に行えます。その他にレジスタの設定で行えるものは、マスター・スレーブの設定、送信・受信設定、通信速度があります。

EEPROMのドライバは、IICバス通信を行っている部分の上位に、EEPROMのデータの読み書きを管理する部分を追加して、2重の構成として、ドライバを使うアプリケーションは、データの読込みと書込みだけを行う構造にしました。
ドライバのデバッグでは、プログラムの確認だけでなく、ロジックアナライザで通信波形の確認も行います。
以降にプログラムと通信波形を並行して、確認を行うメリットについて、紹介します。

図2. EEPROM　I/Fの構成

デバッグ、テストする際は、レジスタ値だけでなく、通信データの確認のため、SDA, SCLの波形確認も行います。
SDAとSCLの状態をロジックアナライザにモニタして、実際にマスタ-スレーブ間で流れているデータの確認をしながら、プログラムとハードの確認をします。
レジスタ値と実測波形を個別で見るだけでなく、比較しながら確認を行いますので、問題があるときには、ハードとソフトで問題を切り分けることができます。
特に、基板が開発中の場合、回路に問題がある場合も十分にありえるため、基板のチェックという意味でも大切な作業です。

図3. SCL, SDA 計測波形
上：SCL, 下：SDA

データの送受信ができることを確認してから、通信速度の設定値とSCL信号の波形を比較しました。
設定速度156kbpsに対して、実測値78kbpsでしたので、半分の速度でしか通信していませんでした。
レジスタの設定に問題ないことを確認して、SCL信号のアナログ波形とデジタル波形を計測することにしました。

広く使われているIICバス通信ですが、今回のようにIICバスインタフェースを使う場合やIICバスインタフェースを使わずI/Oポートを使用する場合など実現方法はいくつかあります。また、ビット同期回路のように、回路を補助する機能があり、それぞれの機能を考えて、正しく使う必要があります。