I2C専用の波形とデコード事例

はじめに

I2C（Inter-Integrated Circuit）は、マイコンやセンサ、EEPROMなど複数のIC間で通信するために広く利用されているシリアル通信方式である。2本の信号線だけでマスタと複数スレーブ間の双方向通信が可能であり、組み込みシステムや各種制御機器において定番のインタフェースとなっている。オシロスコープとデコード機能を用いれば、I2C通信の詳細な内容やタイミングを可視化し、開発やトラブル解析に大きく貢献することができる。

I2Cの基本構造と信号線

I2CはSCL（クロック）とSDA（データ）の2本のオープンドレイン信号線で構成されている。プルアップ抵抗によってHighレベルが保たれ、通信時はデバイスがLowレベルを出力することで信号を制御する。

通信は常にマスタがクロックを生成し、スタート条件から始まり、スレーブアドレス、R/Wビット、データ送受信、ACK信号、ストップ条件という手順で進む。

I2C信号の波形観測

オシロスコープでI2C信号を観測する場合、SCLとSDAの両方の波形を表示する必要がある。代表的な波形は以下のような特徴を持つ。

スタート条件：SCLがHighのときにSDAがHigh→Lowに変化
ストップ条件：SCLがHighのときにSDAがLow→Highに変化
データビット：SCLの立ち上がりに合わせてSDAの状態がサンプリングされる
ACKビット：データ送信後に受信側がSDAをLowにすることで応答する

これらのポイントをオシロスコープで正しく表示することで、通信の正確性や不具合箇所の特定が可能となる。

I2Cデコード機能の活用

近年のデジタルオシロスコープでは、I2Cプロトコルに対応したデコード機能が搭載されている機種が多く、GUI上でSDAとSCLチャンネルを指定することで自動的に通信内容が解析される。

デコード結果は波形上に重ねて表示され、アドレス、読み書き区別、データ、ACK/NAKなどが視覚的に示される。さらに、テーブル形式で複数フレームを時系列で一覧表示する機能もあり、長時間の通信を効率的に確認できる。

具体的なデコード事例１：センサの読み取り

例えば、温度センサからデータを取得するケースでは以下のような波形とデコード結果が見られる。

マスタがスタート条件を送信
スレーブアドレス（例：0x48）に対してWrite（W）
レジスタアドレス（例：0x01）を送信
再びスタート条件を発行し、スレーブアドレスにRead（R）を指定
センサがデータ（例：0x1A 0xC0）を送信
マスタがストップ条件を送信して通信終了

この一連の流れが波形上で確認できると同時に、デコードバーには「START」「0x48(W)」「0x01」「RESTART」「0x48(R)」「0x1A」「0xC0」「STOP」といった情報が表示され、通信内容を詳細に把握できる。

具体的なデコード事例２：ACKエラーの検出

開発中やデバッグ中には、スレーブアドレスへのアクセス時にACKが返ってこないという問題が発生することがある。これを波形とデコードで確認すると、スレーブアドレス送信後にSDAがHighのままで、ACKが返されていない様子が明確に分かる。

このようなケースでは、アドレスの誤り、スレーブ側の電源未接続、信号レベルの不整合など、原因を絞り込む手がかりとなる。

タイミング解析との併用

デコードだけでなく、I2C通信のタイミング特性も波形観測により評価可能である。たとえば、SCLのクロック周波数やDuty比、SDAのセットアップ・ホールド時間、スタート条件からデータ送信までの遅延などを測定することで、規格に準拠しているかを確認できる。

タイミング異常が通信不良の原因であることも少なくないため、デコード結果だけでなく、アナログ波形の詳細な観察が重要である。

トリガとフィルタ機能の活用

オシロスコープによっては、I2Cプロトコルに基づいたトリガ条件が設定可能である。たとえば、特定のスレーブアドレス、特定のデータ、ACKなしなどを条件にトリガをかけることで、異常通信を瞬時に捕捉することができる。

また、ノイズや信号のゆらぎが多い環境では、ローパスフィルタやヒステリシス設定によって、より安定した観測が可能となる。

まとめ

I2C通信の解析においては、SDAとSCLの波形を正確に観測し、デコード機能によって通信内容を可視化することが重要である。具体的なアドレスやデータ、ACKの有無を一目で把握できるようになれば、設計開発や不具合解析のスピードと精度は大きく向上する。

オシロスコープを用いたI2C解析は、単なる波形表示ではなく、通信プロトコルの意味まで踏み込んだ解析を可能にし、現場における強力な武器となる。