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I2C通信の基本

📌 はじめに

I2C（Inter-Integrated Circuit）は、Philips（現NXP）によって開発されたシリアル通信規格で、主に基板上のIC同士を短距離・低速・シンプルな配線で接続するために使われます。マイコンやセンサーモジュール、ディスプレイなどの間でよく採用されており、Raspberry PiやArduinoなどの電子工作でもおなじみです。

🏛 I2Cの背景と誕生理由

1980年代、家電製品やオーディオ機器の内部で複数のICをつなぐ際、従来のパラレル通信では配線本数が多く、基板設計が複雑になっていました。
Philipsは、少ない配線（2本）で複数デバイスを制御できるマルチマスター・マルチスレーブ対応の通信方式としてI2Cを開発。これにより、製造コストの削減と基板の小型化が進みました。

⚙️ I2Cの物理的特徴

  • 配線本数：2本のみ

    • SDA（Serial Data Line）：データ線

    • SCL（Serial Clock Line）：クロック線

  • バス構成：オープンドレイン/オープンコレクタ＋プルアップ抵抗

  • 速度モード

    • 標準モード：最大100 kbps

    • ファストモード：最大400 kbps

    • ファストモードプラス：最大1 Mbps

    • ハイスピードモード：最大3.4 Mbps

I2Cは短距離通信が前提で、数十cm程度までが安定運用の目安です。長距離では信号の減衰やノイズの影響が大きくなります。

🔄 通信の基本動作

アドレッシング

  • 各スレーブには固有のアドレス（7bitまたは10bit）が割り当てられる

  • マスターがスレーブアドレスを送信して通信相手を指定

通信手順（基本）

  1. STARTコンディション：SCLがHighの間にSDAをHigh→Low

  2. スレーブアドレス送信＋R/Wビット

  3. ACK/NACK：相手が応答ビットで確認

  4. データ送信/受信（1バイトごとにACK/NACK）

  5. STOPコンディション：SCLがHighの間にSDAをLow→High

ACKは「受け取ったよ」の意味、NACKは「もういらない／エラー」の意味です。

🧩 マルチデバイス接続の強み

  • 1本のバスに複数のスレーブ接続可（配線はSDAとSCLを共通化）

  • マルチマスター対応（複数のマスターがバスを共有可能）

  • 新しいデバイスを追加しやすく、基板設計の拡張性が高い

【成功】1つのI2Cバスに温度センサー、LCD、EEPROMを同時接続し、2本の配線だけで制御できます。

📚 主な用途

  • センサー（温湿度、加速度、照度など）とのデータ通信

  • メモリ（EEPROM、FRAM）への読み書き

  • 液晶ディスプレイやLEDドライバ制御

  • RTC（リアルタイムクロック）設定と取得

🆚 他の通信方式との比較

項目 I2C SPI UART
配線本数 2 4以上 2
複数デバイス 可 可 基本不可
速度 低〜中速 高速 中速
制御の容易さ 高い 高い 高い
用途 短距離・多デバイス 高速通信 長距離・点対点

I2Cはクロック同期型なので、長距離や高ノイズ環境には不向きです。

💡 I2Cを使う嬉しさ

  • 配線がシンプル：2本の信号線＋電源GNDでOK

  • 複数機器を容易に増設：アドレス設定だけで追加可能

  • 広い対応機器：電子工作から産業機器まで、I2C対応ICは非常に豊富

  • ライブラリ充実：ArduinoやRaspberry Piなど主要開発環境に標準サポートあり

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