Das Differenzielle I²C Interface für den Komminikations-Bus im Knöpfchenspiel ist für den Raspberry Pi ein Hat mit dem PCA9615 Treiber Chip. Die Knöpfcheninterfaces haben den Treiber selbst on Board. Dieser Treiber Baustein konvertiert die normalen I²C Signale in differenzielle Signale um sie stabiler gegen elektromagnetische Störung zu machen. Auf der Empfängerseite werden die Signale dann wieder zurück konvertiert in 3,3V Open-Drain.
I²C Bus
Dieser Bus wurde bereits 1982 von Phillips Semiconductor (heute NXP) entwickelt und dient zur seriellen Datenübertragung zwischen integrierten Schaltungen. Daher auch der Name: Inter Integrated Circuit oder IIC. Der Bus besteht aus zwei Signalleitungen: Serial-Clock (SCL) und Serial-Data (SDA). Am Bus können mehrere Teilnehmer gleichzeitig hängen, aber immer nur einer ist der Master. Die Signalleitungen sind mit einem Widerstand auf eine Spannung voreingestellt. Meistens 5V, manchmal auch 3,3V je nach Interface Spannung. Daten werden auf diesem Bus übertragen, indem die Signalleitungen mit einem Transistor auf Masse Potential geschaltet werden, also auf 0V. Das SDA Signal nach Masse schalten können sowohl Master als auch die Slave Geräte am Bus. Der Master gibt den Takt vor indem er die SCL Leitung auf Masse zieht, oder los lässt und der Widerstand das Signal wieder auf Betriebsspannung ziehen kann. Die Datenleitung wird entweder vom Master, oder von den Slaves auf Masse gezogen, je nachdem wer gerade mit einer Datenübertragung beschäftigt ist. Dieses Prinzip sorgt dafür, dass bei einem Kurzschluss gegen Masse die Signale lediglich ungültig werden, der Chip aber nicht kaputt geht.
Die Adressierung auf dem I²C Bus ist 7-bit lang, kann also 127 Geräte bedienen. Das 8te Bit dient der Lese/Schreib Aktivierung. Dabei sind allerdings einige Adressen reserviert unter Anderem um eine Adressraum-Erweiterung auf 10-bit zuzulassen. Effektiv können also 112 Adressen angesprochen werden.
Die Adressierung auf dem I²C Bus ist 7-bit lang, kann also 127 Geräte bedienen. Das 8te Bit dient der Lese/Schreib Aktivierung. Dabei sind allerdings einige Adressen reserviert unter Anderem um eine Adressraum-Erweiterung auf 10-bit zuzulassen. Effektiv können also 112 Adressen angesprochen werden.
| Adresse | Funktion |
| 00000000 | General Call Adresse |
| 00000001 | Start Byte |
| 0000001X | CBUS Adresse* |
| 0000010X | Reserviert für ein weiteres Busformat |
| 0000011X | Reserviert für zukünftige Erweiterungen |
| 00001XXX | Reserviert für zukünftige Erweiterungen |
| 11111XXX | Reserviert für zukünftige Erweiterungen |
| 11110XXX | 10-Bit Adressierung |
*CBUS ist ein veraltetes System.
Signalform
 |
| Aus den I2C Spezifikationen Rev.6 April 2014 Fig.9 |
Die Signale SCL und SDA sind so genannte Single-Ended Signale. Sie haben ein Spannugnspotential gegen Masse (0V). Dabei können Störungen durch die Schaltflanken in die angrenzenden Leitungen übersprechen. Beispielsweise kann die konstanten Änderungen der Taktleitung (SCL) einen Spannungspuls in der Datenleitung erzeugen, die zwar vom Slave auf Masse gehalten wird, aber über den Leitungswiderstand und die Kapazität der Leitung gegen umliegende Masse trotzdem als Spannung (digitale 1) am Master Eingang erkannt wird. Dies wird zum Beispiel als Bitfehler in den Empfangenen Daten sichtbar. Je länger die Leitungen sind, desto stärker kann das Problem auftreten. Daher muss für eine länger Verbindung Vorsorge getroffen werden. Eine der Vorkehrungen ist zum Beispiel das Konvertieren in differenzielle Signale.
Dabei werden die oben gezeigten Signale von zwei auf 4 Drähte erweitert. Die zusätzliche Leitung ist das Komplementär der Signalleitung und dient als Referenz.
Hardware
 |
| Rasperry Pi 3B mit DIIC Hat |
 |
| Raspberry Pi 40-poliger Verbindungsstecker |
 |
| EEPROM für das Hat. Angeschlossen an ID_SC und ID_SD |
 |
| Beschaltung des differenziellen I²C Buffers PCA9615 |
Diese Software ist zur Zeit leider noch nicht funktionsfähig. Aber das sollte sich in den nächsten Tagen ändern.
