1️⃣ I²C Basics

Apa itu I²C?

I²C (Inter-Integrated Circuit) adalah protokol komunikasi serial sinkron dua kabel yang dikembangkan oleh:

📌 NXP Semiconductors
(sebelumnya oleh Philips Semiconductor)

Digunakan untuk komunikasi antar IC dalam satu board.

Karakteristik Utama I²C

Parameter	I²C
Tipe	Sinkron
Jalur	2 kabel
Topologi	Multi-master, Multi-slave
Addressing	7-bit / 10-bit
Kecepatan	100 kHz – 5 MHz
Half/Full Duplex	Half duplex

2️⃣ I²C Communication

 

🔹 1️⃣ START CONDITION

📌 Pada gambar terlihat:

SCL = HIGH
SDA berubah dari HIGH → LOW

Ini disebut Start Condition (S)

Artinya:

Master mengambil alih bus dan memulai komunikasi.

⚠ Ciri khas Start Condition:

• • Terjadi saat SCL HIGH
  • SDA berubah HIGH → LOW

Ini memberi sinyal ke semua device bahwa komunikasi akan dimulai.

🔹 2️⃣ 7-BIT ADDRESS

Setelah start, master mengirim:

Bit	Isi
7 bit pertama	Alamat Slave
1 bit terakhir	R/W bit

Contoh pada gambar:

1 1 0 0 1 0 0

Ini adalah alamat slave (7-bit).

🔹 3️⃣ READ / WRITE BIT

Bit ke-8 adalah:

Nilai	Arti
0	Write ke slave
1	Read dari slave

Pada gambar:

• • R/W = 0 → berarti master ingin menulis ke slave

🔹 4️⃣ ACKNOWLEDGE BIT (ACK)

Setelah 8 bit dikirim:

Slave harus merespon dengan:

ACK bit (bit ke-9)

Nilai	Arti
0	ACK (alamat diterima)
1	NACK (tidak diterima)

📌 Pada gambar terlihat bit ACK setelah address.

Jika tidak ada ACK:

• • Komunikasi dihentikan

🔹 5️⃣ DATA BYTE

Setelah ACK address:

Master mengirim 8 bit data:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

📌 Penting:
Data stabil saat SCL HIGH
Data berubah saat SCL LOW

Ini aturan fundamental I²C.

🔹 6️⃣ ACK SETELAH DATA

Setelah 1 byte data:

Slave kembali mengirim ACK.

Proses ini bisa berulang untuk beberapa byte data:

Data → ACK → Data → ACK → …

🔹 7️⃣ STOP CONDITION

Pada akhir komunikasi:

SCL = HIGH
SDA berubah dari LOW → HIGH

Ini disebut Stop Condition (P)

Artinya:
Bus dilepaskan → komunikasi selesai.

🔎 RANGKAIAN LENGKAP FRAME

Urutan lengkap berdasarkan gambar:

START

7-bit Address

R/W bit

ACK

Data Byte

ACK

STOP

📊 KARAKTERISTIK PENTING YANG TERLIHAT DI GAMBAR

✔ Data hanya valid saat SCL HIGH

✔ Perubahan data terjadi saat SCL LOW

✔ 1 byte = 8 clock pulse

✔ Setiap byte diikuti 1 ACK bit

⚙ Timing Penting

Setiap bit membutuhkan:

• 1 siklus clock SCL
• Data disampling pada edge tertentu

Biasanya:

• Data dibaca saat rising edge SCL

🏭 ANALISIS INDUSTRI

Dalam sistem Industrial IoT:

Misalnya sensor suhu I²C:

Alur:

START

0x48 (Address)

0 (Write)

ACK

Register Address

ACK

STOP

Lalu untuk read:

START

0x48

1 (Read)

ACK

Data

NACK

STOP

 

3️⃣ Example Frames

Contoh frame pengiriman data:

📘 PENJELASAN EXAMPLE FRAMES I²C

Gambar menampilkan 3 contoh komunikasi I²C, yaitu:

1. 1. Master menulis data ke slave

   2. Master membaca data dari slave

   3. Capture DSO (osiloskop digital) saat pengiriman data

---

🔹 1️⃣ I²C Master Writing Data (0x65) ke Slave (0x35)

📌 Informasi pada gambar:

• • Alamat slave = 0x35

  • Data dikirim = 0x65

  • Operasi = WRITE

---

🔎 Step-by-step Frame

① Start Condition

SCL = HIGH
SDA: HIGH → LOW

Menandakan komunikasi dimulai.

---

② 7-bit Slave Address

0x35 dalam biner (7-bit):

Karena 7-bit addressing, yang dikirim:

(MSB dikirim terlebih dahulu)

---

③ Write Bit (R/W = 0)

Bit ke-8 adalah:

Jadi 8 bit pertama yang dikirim master:

(7-bit address + write bit)

---

④ ACK Bit

Slave mengirim:

Artinya alamat dikenali.

---

⑤ 8-bit Data (0x65)

Konversi:

Data dikirim MSB → LSB.

---

⑥ ACK Setelah Data

Slave kembali mengirim:

Artinya data diterima.

---

⑦ Stop Condition

SCL HIGH
SDA: LOW → HIGH

Komunikasi selesai.

---

🔁 Ringkasan Frame 1

---

🔹 2️⃣ I²C Master Reading Data (0x66) dari Slave (0x08)

📌 Informasi:

• • Slave address = 0x08

  • Data dibaca = 0x66

  • Operasi = READ

---

🔎 Step-by-step

① Start Condition

Master memulai komunikasi.

---

② 7-bit Address (0x08)

Konversi:

---

③ Read Bit (R/W = 1)

Karena membaca:

8 bit pertama:

---

④ ACK dari Slave

Slave merespon:

---

⑤ Data Dikirim Slave (0x66)

Pada mode read:

• • Slave mengirim data

  • Master mengontrol clock

---

⑥ ACK Setelah Data

Pada gambar terlihat ACK = 0

Biasanya:

• • Master kirim ACK jika ingin lanjut baca

  • Master kirim NACK jika selesai

---

⑦ Stop Condition

Bus dilepas.

---

🔁 Ringkasan Frame 2

---

🔹 3️⃣ DSO Output (Master kirim 0x7B ke Slave 0x33)

Ini adalah contoh capture osiloskop.

---

📌 Informasi:

• • Address = 0x33

  • Data = 0x7B

  • Operasi = Write

---

① Address 0x33

Konversi:

7-bit:

---

② Write Bit = 0

Maka 8 bit pertama:

---

③ Data 0x7B

Konversi:

---

④ ACK

Slave mengirim 0.

---

🔎 Kenapa disebut DSO Output?

Karena pada osiloskop:

• • Terlihat pulsa clock SCL

  • SDA berubah sesuai data

  • 9 clock pulse per byte (8 data + 1 ACK)

---

⚠ CATATAN PENTING (SESUAI GAMBAR)

1️⃣ Data dikirim MSB → LSB

Bit paling kiri dikirim lebih dulu.

---

2️⃣ Idle State = HIGH

Sebelum komunikasi:

SDA = HIGH
SCL = HIGH

Karena I²C menggunakan pull-up resistor.

---

📊 PERBEDAAN WRITE vs READ (DARI GAMBAR)

---

🏭 ANALISIS INDUSTRI

Dalam sistem sensor suhu I²C:

Write Mode:

• • Pilih register sensor

Read Mode:

• • Ambil data suhu

Contoh alur nyata:

---

🧠 KESIMPULAN DARI KETIGA FRAME

1. 1. Setiap komunikasi diawali Start

   2. 7-bit address selalu dikirim dulu

   3. Bit ke-8 menentukan arah komunikasi

   4. Setiap byte selalu diikuti ACK

   5. 9 clock pulse per 1 byte transfer

   6. Stop mengakhiri komunikasi

4️⃣ Pull-up in I²C Communication

⚠ I²C membutuhkan resistor pull-up.

Kenapa?

Karena I²C menggunakan:

Open-drain / Open-collector output

Artinya:

• • Device hanya bisa menarik LOW
  • HIGH didapat dari resistor pull-up

Nilai umum:

• • 7kΩ
  • 10kΩ

Jika tidak ada pull-up:

• • SDA dan SCL akan floating
  • Komunikasi gagal

5️⃣ I²C Modes

Mode	Speed
Standard Mode	100 kHz
Fast Mode	400 kHz
Fast Mode Plus	1 MHz
High Speed Mode	3.4 MHz
Ultra Fast Mode	5 MHz

Dalam Arduino Uno default:

• 100 kHz

6️⃣ I²C Addressing (7-bit Address)

7-bit addressing memungkinkan:

2⁷ = 128 alamat

Namun beberapa alamat reserved:

• 0x00
• 0x7F

Contoh device:

• OLED: 0x3C
• RTC DS3231: 0x68
• EEPROM: 0x50

7️⃣ I²C Clock Stretching

Clock stretching terjadi saat:

Slave belum siap → menahan SCL LOW

Master harus menunggu hingga slave release SCL.

Digunakan pada:

• Sensor ADC
• Device dengan proses internal lambat

8️⃣ I²C Voltage Level Mismatch

Masalah umum:

• Master 5V
• Slave 3.3V

Solusi:

• Level shifter
• Logic level converter

Tanpa level shifting:

• Risiko kerusakan device

📘 PENJELASAN I²C VOLTAGE LEVEL MISMATCH

🔹 1️⃣ Apa Masalahnya?

Gambar menjelaskan kondisi:

MCU 3.3V ↔ Sensor 5V

Perbedaan tegangan ini disebut:

⚠ Voltage Level Mismatch

Contoh kasus:

• • Mikrokontroler 3.3V (ESP32, STM32, Raspberry Pi)

  • Sensor I²C 5V (beberapa modul lama)

Jika langsung dihubungkan:

❌ Logika HIGH bisa tidak dikenali
❌ Pin MCU bisa rusak (overvoltage)
❌ Komunikasi tidak stabil

---

🔹 2️⃣ Kenapa Bisa Berbahaya?

Karena I²C menggunakan:

✔ Open-drain / Open-collector
✔ Pull-up resistor ke VCC

Artinya:

Level HIGH pada SDA & SCL ditentukan oleh pull-up.

Jika pull-up terhubung ke 5V:

➡ Jalur SDA dan SCL akan naik ke 5V
➡ Masuk ke pin MCU 3.3V
➡ Bisa merusak input pin

---

🔹 3️⃣ Penjelasan Blok Diagram pada Gambar

Mari kita analisis bagian gambar.

---

🟦 Kiri: I²C Controller (MCU)

• • Menggunakan tegangan VCCA (misalnya 3.3V)

  • SDA dan SCL ditarik ke 3.3V melalui pull-up

---

🟨 Tengah: I²C Voltage Level Translator

Ini adalah:

✔ Bidirectional Level Shifter
✔ I²C Buffer dengan Voltage Translation

Fungsi:

• • Menerjemahkan level 3.3V ↔ 5V

  • Tetap mempertahankan sifat open-drain

  • Bisa komunikasi dua arah

Biasanya menggunakan:

• • MOSFET kecil (BSS138)

  • IC seperti PCA9306

---

🟩 Kanan: I²C Target (Sensor)

• • Menggunakan VCCB (misalnya 5V)

  • SDA dan SCL ditarik ke 5V melalui pull-up

---

🔹 4️⃣ Bagaimana Cara Kerjanya?

I²C adalah open-drain.

Device hanya bisa menarik LOW.

Ketika:

✔ Salah satu device menarik LOW
→ Level shifter meneruskan LOW ke sisi lain

Ketika:

✔ Tidak ada yang menarik LOW
→ Pull-up menentukan HIGH sesuai VCC masing-masing sisi

Jadi:

3.3V tetap 3.3V
5V tetap 5V

Tidak terjadi overvoltage.

---

🔹 5️⃣ Kenapa Harus Bidirectional?

Karena I²C bersifat dua arah:

• • Master bisa kirim data

  • Slave bisa kirim data (mode read)

  • ACK dikirim slave

Level shifter harus bisa:

✔ Transfer LOW dari kiri ke kanan
✔ Transfer LOW dari kanan ke kiri

---

🔹 6️⃣ Apa yang Terjadi Jika Tanpa Level Shifter?

Jika langsung hubungkan:

Kasus A:

Pull-up ke 5V

➡ SDA naik ke 5V
➡ Masuk ke pin MCU 3.3V
➡ Risiko rusak

---

Kasus B:

Pull-up ke 3.3V

➡ Sensor 5V mungkin tidak mengenali HIGH sebagai valid
➡ Komunikasi gagal

---

🔹 7️⃣ Analisis dari Sudut Industrial IoT

Dalam sistem Industrial IoT sering terjadi:

• • Gateway 3.3V

  • Sensor industri 5V

  • Modul eksternal beda tegangan

Jika tidak diperhatikan:

❌ Device mati
❌ Komunikasi intermittent
❌ Data corrupt
❌ Maintenance cost naik

---

🔹 8️⃣ Kapan Wajib Pakai Level Shifter?

Gunakan level shifter jika:

✔ Tegangan berbeda (3.3V ↔ 5V)
✔ Sensor tidak 5V tolerant
✔ Sistem industri 24 jam
✔ Lingkungan noise tinggi

---

🔹 9️⃣ Kapan Tidak Perlu?

Jika:

✔ Semua device 3.3V
✔ Semua device 5V
✔ Pin MCU 5V tolerant

Contoh:
Arduino Uno (5V) ↔ Sensor 5V
Tidak perlu level shifter.

---

🔹 🔟 Komponen Umum Level Shifter I²C

Beberapa IC populer:

• • PCA9306

  • TXS0108E

  • BSS138 MOSFET based module

---

📊 Ringkasan Teknis

---

🧠 Kesimpulan

Gambar menunjukkan solusi profesional untuk:

✔ Mencegah overvoltage
✔ Menjaga integritas sinyal
✔ Menjamin kompatibilitas tegangan
✔ Melindungi mikrokontroler

9️⃣ I²C Arbitration

Pada sistem multi-master:

Jika dua master kirim data bersamaan:

• Master dengan logika LOW menang
• Master lain berhenti

Ini disebut:

✔ Bus Arbitration

🔟 I²C in Micro-Controllers

Hampir semua mikrokontroler memiliki hardware I²C:

• ATmega328P
• STM32
• ESP32
• PIC
• ARM Cortex

Biasanya disebut:

• TWI (Two Wire Interface)
• I2C Peripheral

1️⃣1️⃣ Writing I²C Driver (Master – Writing Data to Slave)

Langkah umum:

1. Set START bit
2. Kirim slave address
3. Tunggu ACK
4. Kirim data
5. STOP

Pseudo code:

I2C_Start();
I2C_Write(Address << 1);
I2C_Write(Data);
I2C_Stop();

1️⃣2️⃣ I²C in Arduino Uno (ATmega328P)

Arduino Uno menggunakan:

📌 ATmega328P

Pin I²C Arduino Uno:

Pin	Fungsi
A4	SDA
A5	SCL

Hardware I²C disebut:
TWI (Two Wire Interface)

1️⃣3️⃣ Arduino I²C (Wire Library) Functions

Library utama:

#include <Wire.h>

Fungsi penting:

Fungsi	Keterangan
Wire.begin()	Start I²C
Wire.begin(address)	Start sebagai slave
Wire.beginTransmission(addr)	Mulai kirim
Wire.write(data)	Kirim data
Wire.endTransmission()	Stop
Wire.requestFrom(addr, byte)	Minta data
Wire.read()	Baca data

1️⃣4️⃣ Example

Contoh: Master Kirim Data ke Slave

Program Master

#include <Wire.h>

void setup() {
Wire.begin();
}

void loop() {
Wire.beginTransmission(0x08);
Wire.write("BISA_IOTI");
Wire.endTransmission();
delay(1000);
}

Program Slave

#include <Wire.h>

void setup() {
Wire.begin(0x08);
Wire.onReceive(receiveEvent);
Serial.begin(9600);
}

void receiveEvent(int bytes) {
while (Wire.available()) {
char c = Wire.read();
Serial.print(c);
}
}

void loop() {}

🏭 APLIKASI INDUSTRI

I²C banyak digunakan untuk:

• Sensor suhu
• EEPROM
• RTC
• Display OLED
• Internal board communication

Namun dalam sistem PLC industri:

• I²C jarang digunakan untuk jarak jauh
• Biasanya hanya internal board

📌 Kesimpulan

I²C adalah:

✔ Sederhana
✔ Hemat kabel
✔ Cocok komunikasi jarak dekat
✔ Mendukung banyak device

Namun:

✖ Tidak cocok jarak jauh
✖ Lebih lambat dari SPI

PRAKTIKUM KOMUNIKASI I²C MENGGUNAKAN ARDUINO UNO