Python可以這樣玩(20)：PyMata 與I2C
到目前為止，大部分基礎的 Arduino 電路實驗我們學會了，相信大家對於 pySerial、pyFirmata 擴充庫也有了基本的認識，我們現在即將進入第二個階段。
在這之前，先回顧一下之前我們學的七段顯示器，如果用最原始的方法，一個小小的七段顯示器幾乎就把 Arduino UNO 的腳位都站滿了，當我把我的實驗作品PO上臉書的時候，就有網友建議我可以使用BCD的方式簡化線路，7447與7448這兩個IC就具備了BCD轉七段顯示器的功能，不過，比較常用的方法是使用 74HC595來做，它把序列輸入轉成串列輸出，加上可以串接，因此減少了非常多的腳位並可以連接非常多的七段顯示器。
從這裡得到的啟示是，如果可以使用一些特殊的IC或是特殊的通訊協定，基本上可以做到的事情就更多了。
要更進一步釐清觀念，我們就來談談三種通訊協定：UART、I2C、以及SPI。
UART、I2C、SPI
對於專業電子工程人員而言，當然非常清楚UART、I2C、SPI之間的差別，然而對於不是電子工程背景的玩家，對這些協定就比較陌生了，但是我們必須去面對，因為Arduino、Raspberry Pi開發板就有這些介面。
以Arduino而言，最原初的Arduino就有UART，而演化不久後也加添了I2C，現在無論Arduino家族開發板如何演化，多會具備UART與I2C。而RPi方面則是從2012年最原初的RPi開始，就同時具備這三種介面，事實上Arduino開發板所用的微控制器晶片，其本身也是具備SPI介面功能的，只是Arduino將此功能掩蓋、關閉而已。
UART是用於 RS-232 與 USB
的通訊協定，中文名稱是通用非同步收發傳輸器。我們將 Arduino 插入電腦的USB孔，事實上開發板就開始以此方式與電腦通訊了。從下圖中我們就可以看到每種通訊功能所使用的腳位，還記得 d0與d1吧，Rx/Tx就是
UART的腳位。
接下來進階的課程中，就會開始用到 SPI 與 I2C。
I2C
I²C（Inter-Integrated Circuit）字面上的意思是積體電路之間，它其實是I²C Bus簡稱，所以中文應該叫積體電路匯流排，它是一種串列通訊匯流排，使用多主從架構，由飛利浦公司在1980年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速週邊裝置而發展。I²C的正確讀法為「I平方C」（"I-squared-C"），而「I二C」（"I-two-C"）則是另一種錯誤但被廣泛使用的讀法。自2006年11月1日起，使用I²C協定已經不需要支付專利費，但製造商仍然需要付費以取得I²C從屬裝置位址。
I²C只使用兩條雙向漏極開路（Open Drain）（串列資料（SDA）及串列時脈（SCL），我們在前面使用 74HC595就用到了類似的概念）並利用電阻將電位上拉。I²C允許相當大的工作電壓範圍，但典型的電壓準位為+3.3V或+5v。
I²C的參考設計使用一個7位元長度的位址空間但保留了16個位址，所以在一組匯流排最多可和112個節點通訊。節點的最大數量受限於位址空間以及400 pF的總的匯流排電容。400 pF總電容也限制了實際通訊距離只有幾米。
常見的I²C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式（100
Kbit/s）、低速模式（10
Kbit/s），但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I²C匯流排可以和更多的節點（支援10位元長度的位址空間）以更快的速率通訊：快速模式（400
Kbit/s）、高速模式（3.4
Mbit/s）。
I²C被應用在簡單且其製造成本較傳輸速度更為重要的週邊上。一些常見的應用如下：
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改變音量大小。
·
取得硬體監視及診斷資料，例如中央處理器的溫度及風扇轉速。
·
在系統裝置中用來開啟或關閉電源供應。
在我們的進階課程中，就會開始實做I2C的電路。
SPI
串行外設介面（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一種用於短程通訊的同步串行通訊介面規範，主要應用於單晶片系統中。類似I²C。 這種介面首先被Motorola（摩托羅拉）公司開發，然後發展成了一種行業規範。典型應用包含SD卡和液晶顯示器。 SPI裝置之間使用全雙工模式通訊，包含一個主機和一個或多個從機。主機產生待讀或待寫的影格資料，多個從機通過一個片選線路 決定哪個來回應主機的請求。 有時SPI介面被稱作四執行緒介面，SPI準確來講稱為同步串列埠。
SPI匯流排規定了4個保留邏輯訊號介面：
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SCLK（Serial Clock）：串行時鐘，由主機發出
·
MOSI（Master Output,Slave Input）：主機輸出從機輸入訊號，由主機發出
·
MISO（Master Input,Slave Output）：主機輸入從機輸出訊號，由從機發出
·
SS（Slave Selected）：選擇訊號，由主機發出，一般是低電位有效
儘管上面的引腳名稱是最常用的，但在過去，有時會使用其他引腳命名約定，因此舊IC產品的SPI埠引腳名稱可能有所不同。
如果我們要控制8x8 LED矩陣，就可以搭配
MAX7219 晶片來達成，這就是一種SPI的連接方式。
在初階的課程中，我們實驗的元件都是直接使用數位或類比腳位來控制，在進階的課程中，則會開始使用以IC為基礎的各種感應器，而這些感應器都是使用以 I2C 或 SPI 匯流排的方式來通訊。我們就先從 I2C開始。
上圖就是一個 I2C 連接方式的示意圖，一個
Master 可以連接多個 Slave感應器，在 Arduino Uno 中，類比腳位 4 與 5是用來與 SDA 以及 SCL 互動的。所以一般的接法大概會是這樣：
從上圖我們也可以看出，類比4, 5 腳位等同於開發板左上方的 SCL, SDA腳位，兩個電阻則為上拉電阻。
匯流排上有四種不同的操作模式，雖然大部分裝置只作為一種角色和使用其中兩種操作模式：
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主節點(Master, 主動裝置)傳送 - 主節點傳送資料給從節點
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主節點(Master, 主動裝置)接收 - 主節點接收從節點資料
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從節點(Slave, 從動裝置)傳送 - 從節點傳送資料給主節點
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從節點(Slave, 從動裝置)接收 - 從節點接收主節點資料
如果主節點想要向從節點寫資料，它將傳送一個位元組，然後從節點以ACK位應答，如此重複。此時，主節點處於主節點傳送模式，從節點處於從節點接收模式。
如果主節點想要讀取從節點資料，它將不斷接收從節點傳送的一個個位元組，在收到每個位元組後傳送ACK進行應答，除了接收到的最後一個位元組。此時，主節點處於主節點接收模式，從節點處於從節點傳送模式。
此後，主節點要麼傳送停止位終止傳輸，要麼傳送另一個START位元以發起另一次傳輸（即「組合訊息」）。
看完了通訊的方式，就要開始動手做了。第一步先從 AVR C 的程式設計開始。不過很不幸的，溫度感應器百百種，要談I2C，就必須使用 I2C 架構的感應器才行。不過我發現我手上有三種溫度感應器，分別是LM35、DHT11 與 TMP102，為了讓課程更具完整性，我決定把三種感應器的使用方式都討論一下。
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