1. Принцип роботи TCA9548A

Що таке TCA9548A і для чого він використовується?

TCA9548A – це 8-канальний I2C мультиплексор (комутатор), який дозволяє під’єднати до восьми I2C-пристроїв до одного мікроконтролера. По суті, він працює як "переключатель" ліній SDA/SCL: ваш контролер бачить лише ті пристрої, канал яких наразі активовано. Це особливо корисно, коли потрібно підключити кілька однакових сенсорів або модулів з однаковими I2C-адресами – у стандартній I2C-шині два пристрої з однаковою адресою конфліктуватимуть, але через мультиплексор вони ізольовані на різних каналах. Наприклад, якщо у вас є 8 однакових датчиків температури з однією і тією ж адресою, ви можете підключити кожен до окремого каналу TCA9548A (канали 0–7) і опитувати їх по черзі без конфліктів.

Як працює мультиплексування I2C?

Мультиплексор TCA9548A має один "вхідний" I2C-інтерфейс (підключений до мікроконтролера) і вісім "вихідних" I2C-каналів. Лінії SDA та SCL від мікроконтролера "розгалужуються" на вісім пар SDA/SCL для пристроїв. За допомогою спеціальної команди через шину I2C ви вибираєте, який із каналів наразі з’єднаний з головною шиною. Тобто, ви можете перемикати канали програмно, і тільки пристрої на вибраному каналі будуть спілкуватися з контролером (інші канали тим часом відключені електрично). Це важливо, щоб уникнути взаємного впливу пристроїв з однаковими адресами – коли канал вимкнено, пристрої на ньому “невидимі” для основної шини і не спричиняють конфліктів адрес.

Основні технічні характеристики TCA9548A:

Кількість каналів: 8 двонапрямних I2C-каналів (0–7), що комутуються програмно.
Напруга живлення: від 1,65 В до 5,5 В, підтримує логіку 3,3 В та 5 В (всі I/O-виводи 5-вольт толерантні).
I2C-адреса мультиплексора: базова 0x70 (7-біт), змінюється від 0x70 до 0x77 встановленням пінів A0, A1, A2 (до 8 таких чіпів на одній шині). За замовчуванням при A0=A1=A2=LOW адреса = 0x70.
Швидкість I2C: підтримує стандартну та швидку шину – до 400 кГц максимально. (Примітка: режим High Speed 1 МГц не підтримується.)
Reset (скидання): має вивід RST (активний низьким рівнем) для скидання мультиплексора. При скиданні або при ввімкненні живлення всі канали автоматично вимикаються (ізолюються) для безпечного старту.
Особливості: Можна вибрати як один канал, так і кілька каналів одночасно (відкривши їх "паралельно"), шляхом запису відповідної комбінації біт у регістр керування. Однак зазвичай використовується по одному каналу за раз. Також чип забезпечує переклад рівнів між шинами – наприклад, можна мати мікроконтролер на 5 В, а сенсори на 3,3 В: достатньо підтягнути вихідні канали до потрібної напруги, і TCA9548A обмежить рівень сигналу до цього значення.
TCA9548A своїм прикладом показує, як можна усунути обмеження I2C-шини щодо кількості пристроїв. Якщо одного такого мультиплексора мало, ви навіть можете використати декілька TCA9548A одночасно: до 8 штук на одній шині (з різними адресами 0x70–0x77), отримавши таким чином до 64 окремих I2C-каналів! (Хоча на практиці рідко виникає потреба у такій кількості).

Ілюстрація роботи мультиплексора TCA9548A.

2. Схема підключення TCA9548A

Діаграма підключення: Під’єднання TCA9548A до вашого контролера (наприклад Arduino) досить просте. Модуль TCA9548A має такі основні виводи: живлення (VIN), земля (GND), лінії I2C (SDA, SCL), три адресні піни (A0, A1, A2), вивід скидання (RST) і по дві лінії на кожен із 8 каналів (SD0/SC0 ... SD7/SC7). Нижче описано призначення виводів та їх підключення:

• VIN (VCC) – живлення мультиплексора. Під’єднується до 3,3 В або 5 В (залежно від того, яка логіка використовується в системі). Напруга живлення визначає логічні рівні на виходах. Наприклад, на Arduino Uno можна підключити VIN до піну 5V.
• GND – спільна земля. Під’єднується до GND контролера і має бути спільною з землями всіх підключених I2C-пристроїв.
• SDA, SCL – шина I2C з боку майстра (контролера). Підключається до відповідних ліній SDA і SCL вашого мікроконтролера. Для Arduino Uno SDA знаходиться на аналоговому вході A4, а SCL – на A5 (на інших платформах можуть бути інші піни). Отже, SDA TCA9548A -> A4 Arduino, SCL TCA9548A -> A5 Arduino.
• A0, A1, A2 – адресні входи мультиплексора. Визначають молодші біти I2C-адреси TCA9548A. Їх можна підключати до GND або VCC для встановлення адреси з діапазону 0x70–0x77. Якщо ви використовуєте тільки один мультиплексор, найпростіше залишити всі три на GND (тобто адреса за замовчуванням 0x70). Приклад: A0=GND, A1=GND, A2=GND -> адреса 0x70; якщо, скажімо, A0=VCC, решта GND -> адреса 0x71, і т.д.
• RST – вхід скидання (Reset). Активний в низькому стані (LOGIC 0). Якщо він не потрібен для керування, його зазвичай підтягують до VCC (на деяких модулях вже є резистор підтягання). Ви можете також підключити RST до виходу мікроконтролера, щоб при потребі програмно скидати мультиплексор. У типовій схемі для спрощення RST з’єднують із VIN (через резистор 10 кОм або безпосередньо, якщо виробником модуля це передбачено), щоб тримати чип постійно активним.
• SD0–SD7, SC0–SC7 – вихідні лінії I2C для каналів 0–7. Кожен канал має свою пару ліній SDA (SDx) і SCL (SCx). Саме до них підключаються периферійні I2C-пристрої (сенсори, екрани тощо). Наприклад, якщо датчик під’єднаний до каналу 3, його SDA йде до контакту SD3, а SCL – до SC3 на мультиплексорі. Для каналу 0 – SDA пристрою на SD0, SCL на SC0, і так далі.

Приклад підключення до Arduino (схема):

• Arduino Uno 5V -> VIN модуля TCA9548A (живлення 5 В).
• Arduino GND -> GND модуля TCA9548A (спільна земля).
• Arduino SDA (A4) -> SDA мультиплексора.
• Arduino SCL (A5) -> SCL мультиплексора.
• Виводи A0, A1, A2 мультиплексора -> GND (встановлюємо адресу 0x70 за замовчуванням).
• Вивід RST мультиплексора -> 5В (через резистор 10 кОм або напряму до VIN, щоб тримати мультиплексор у робочому стані).
• OLED 1 (перший дисплей): підключаємо SDA дисплея до SD0, SCL дисплея до SC0 (тобто канал 0 мультиплексора). VCC дисплея – до 5В, GND – до GND.
• OLED 2 (другий дисплей): SDA дисплея -> SD1, SCL -> SC1 (канал 1 мультиплексора). VCC -> 5В, GND -> GND.

Обидва дисплеї тепер фізично підключені, але рознесені по різних каналах мультиплексора. Зверніть увагу, що всі GND повинні бути спільними (Arduino, мультиплексор і датчики мають бути на одній землі). Також, за потреби, переконайтеся, що на кожному каналі є підтягувальні резистори (pull-up) для SDA/SCL. Зазвичай на модулі TCA9548A є резистори підтягування на головній шині SDA/SCL, а на багатьох датчиках/модулях – свої підтягування на лініях. Якщо ж ви підключаєте "сирий" пристрій без підтягувань, додайте резистори 4,7 кΩ – 10 кΩ з SDx та SCx до потрібної напруги. Кожен використаний канал має мати pull-up на SDA і SCL до того ж рівня, що і живлення підключених до нього модулів.

Діаграма підключення TCA9548A.

3. Приклад коду для Arduino

Тепер, коли все підключено, розглянемо, як керувати TCA9548A програмно. Спілкування з мультиплексором відбувається через звичайну I2C-команду: TCA9548A сам є I2C-пристроєм (з адресою 0x70 за замовчуванням). Щоб перемкнутися на потрібний канал, ми повинні відправити байт з бітовою маскою потрібного каналу на адресу мультиплексора. Кожен біт цього байта відповідає одному з каналів: біт0 – канал0, біт1 – канал1, ..., біт7 – канал7. Наприклад, щоб вибрати канал 0 – відправляємо 0b00000001 (де лише біт0 = 1), для каналу 3 – 0b00001000 (біт3 = 1), і т.д. Можна встановити кілька біт одночасно, якщо раптом треба активувати кілька каналів, але найчастіше активують по одному.

Як перемикати між каналами? У Arduino це робиться за допомогою бібліотеки Wire. Передусім ініціалізуємо I2C (наприклад, Wire.begin() в setup()). Потім можна написати невелику функцію для вибору каналу, щоб зручно нею користуватися. Ось приклад коду:

#include <Wire.h>
#define TCA9548A_ADDR 0x70  // I2C-адреса мультиплексора (0x70 при A0=A1=A2=GND)

void selectChannel(uint8_t channel) {
  if (channel > 7) return;             // перевірка допустимого номера каналу 0-7
  Wire.beginTransmission(TCA9548A_ADDR);
  Wire.write(1 << channel);           // виставляємо потрібний біт, відповідний каналу
  Wire.endTransmission();
}

void setup() {
  Wire.begin(); 
  Serial.begin(9600);
  
  // Ініціалізація: спочатку переконаємося, що на початку всі канали вимкнені
  selectChannel(0);  // приклад: вибираємо канал 0
  // Тут можна виконати ініціалізацію пристрою на каналі 0, якщо потрібно (напр. датчика чи дисплея)
  
  selectChannel(1);  // перемикаємося на канал 1
  // Ініціалізуємо пристрій на каналі 1
  
  // Можна послідовно ініціалізувати всі необхідні канали
}

void loop() {
  // Приклад опитування кількох пристроїв на різних каналах:
  selectChannel(0);
  // зчитуємо дані або оновлюємо дисплей на каналі 0
  // ... ваш код роботи з пристроєм з адресою X на каналі 0 ...
  
  selectChannel(1);
  // зчитуємо дані/оновлюємо дисплей на каналі 1
  // ... код для пристрою з тією ж адресою X, але на каналі 1 ...
  
  delay(500);
}

Приклад коду для роботи з TCA9548A.

4. Типові проблеми та рішення

Навіть при правильному підключенні та коді, початківці можуть зіткнутися з деякими типовими нюансами при використанні TCA9548A. Розгляньмо найбільш поширені проблеми і способи їх вирішення:

Типові проблеми при роботі з TCA9548A.

На завершення

Підсумок та висновки.

На завершення, TCA9548A значно полегшує життя, коли потрібно підключити багато I2C-пристроїв. Головне – правильно його підключити та пам’ятати про перемикання каналів у коді. Цей мультиплексор дружній до початківців: при відносно простому керуванні він розв’язує складні апаратні проблеми. Тож експериментуйте сміливо – підключайте датчики, дисплеї й інші модулі, знаючи, що TCA9548A допоможе всім їм “подружитися” з вашим Arduino на одній двопровідній шині I2C. Успіхів у ваших проектах!