I2Cとは？SDA、SCL、プルアップ抵抗とArduinoのI2Cスキャナー

I2C（Inter-Integrated Circuit）は、マイコンがわずか2本の信号線（SDAとSCL）で何十ものセンサー、ディスプレイ、モジュールと通信できるシリアル通信プロトコルです。「アイスクエアドシー」と読み、データシートによってはIICやTWI（Two Wire Interface）とも呼ばれます。Arduinoのプロジェクトで使うI2C LCD、OLEDディスプレイ、MPU6050加速度センサー、BMP280気圧センサー、DS1307時計モジュールは、どれもこのプロトコルで通信します。すべてを同じ2本の線に並列につなぎ、それぞれ固有のアドレスで呼び出せます。

このガイドでは、I2Cが電気的にどう動くか、アドレスの意味、プルアップ抵抗が欠かせない理由とその値の計算方法を学びます。続いて、Arduino Uno、ESP32、Raspberry Pi Picoのピン表、バス上のすべてのデバイスを見つけるI2Cスキャナーのスケッチ、ライブラリを使わないレジスタの読み取り例、アドレスの衝突などのよくあるトラブルの対処法をステップごとに見ていきます。

I2Cとは？そのしくみ

I2Cは1982年にPhilips（現在のNXP）が、同じ基板上のチップどうしを少ない配線で通信させるために開発しました。バスには2つの役割があります。すべての転送を開始してクロックを作るコントローラー（以前はマスターと呼ばれていました）と、それに応答するターゲット（以前のスレーブ）です。Arduinoのプロジェクトでは、コントローラーはほぼ必ずArduino、ESP32、Picoで、センサーやディスプレイがターゲットです。

• SDA（Serial Data）：データを双方向に運ぶ線です。コントローラーがアドレスとコマンドを送り、センサーは同じ線で読み取り値を返します。
• SCL（Serial Clock）：クロックの線です。クロックパルスごとにSDAの1ビットが読まれ、クロックはコントローラーが作ります。
• GND（共通グランド）：信号の基準です。電源が別々のモジュールでも、GNDは共通にしなければなりません。

ラインはオープンドレインです。どのデバイスもラインをHIGHに駆動することはなく、LOWに引き下げることしかできません。ラインを1に保っているのは、SDAとSCLを電源電圧につなぐプルアップ抵抗です。そのため、2つのデバイスが同時に話そうとしても短絡は起こりません。どれか1つのデバイスがラインをLOWにすれば、全員に0が見えます。I2Cのメッセージは次のように進みます。

1. START：SCLがHIGHの間にコントローラーがSDAを1から0に下げると、バス上のすべてのデバイスが聞き始めます。
2. アドレスと方向ビット：7ビットのアドレスが送られ、続いて読み出し（1）か書き込み（0）のビットが送られます。
3. ACK：そのアドレスを持つデバイスが9番目のクロックパルスの間にSDAをLOWにして「ここにいます」と伝えます。誰も応答しなければNACKと呼ばれます。
4. データバイト：各バイトは8ビットで送られ、受信側は1バイトごとにACKで応えます。ほとんどのセンサーでは、最初のバイトは読み書きするレジスタの番号です。
5. STOP：SCLがHIGHの間にSDAが0から1に上がると、バスは再び空きます。読み出しでは、バスを手放さずに方向を変えられるよう、STOPの代わりにリピートSTARTを使います。

Arduinoの世界でよく使われるほかの2つのプロトコルと比べると、I2Cを選ぶべき場面がはっきりします。

I2Cの速度と技術的な制約

ArduinoのWireライブラリは初期設定では100 kHzで始まります。ほとんどのセンサーは400 kHzにも対応しており、Wire.setClock(400000)で切り替えられます。速度を上げるとディスプレイの更新はなめらかになりますが、バスは配線の長さやプルアップ抵抗の値に敏感になります。規格では、バス全体の静電容量（配線とデバイスのピンの合計）は400 pFを超えてはいけません。一般的なジャンパーワイヤーやリボンケーブルは1メートルあたり50〜100 pF、デバイスのピンは1本あたり最大10 pFを加えるため、I2Cは1枚の基板上か、数十センチの配線で使うように設計されています。1メートルを超えるなら、速度を下げるか、より強いプルアップ抵抗を使うか、P82B715のようなバスエクステンダーを加える必要があります。

I2Cアドレス：7ビット、8ビット、予約アドレス

バス上のデバイスにはそれぞれ7ビットのアドレスがあり、理論上は128個のアドレスになります。0x00〜0x07と0x78〜0x7Fの範囲は特別な用途に予約されているため、使えるのは0x08〜0x77の112個です。アドレスはふつうチップのメーカーが決めていますが、多くのモジュールではA0、A1、A2、AD0と呼ばれるはんだジャンパーやピンで下位のビットを変えられます。

ここがややこしいところです。データシートやモジュールの裏の表示の中には、方向ビットを含めた8ビットでアドレスを書いているものがあります。たとえば、OLED基板の裏に「0x78」とあっても、コードでのアドレスは0x3Cです。LCDモジュールに0x4Eとあれば、コードでのアドレスは0x27です。ルールは簡単で、8ビットの値を2で割る（1ビット右にシフトする）と7ビットのアドレスになります。Arduino、ESP32、MicroPythonのライブラリはどれも7ビットのアドレスを使います。

プルアップ抵抗：なぜ必要か、値の選び方

I2Cバス上のデバイスはラインをLOWに引き下げることしかできないため、HIGHのレベルはプルアップ抵抗が作ります。抵抗が大きすぎると、バスの静電容量のせいで0から1への変化が遅くなり、信号のエッジがなまって、高速ではビットを読み間違えます。小さすぎると、ラインをLOWに引き下げるときにデバイスが吸い込む電流が増えます。規格がデバイスに求めているのは0.4 Vで3 mA以上を吸い込めることだけなので、プルアップ抵抗は電流をそれ以下に抑える必要があります。

次の式で2つの限界がわかります。最小の抵抗はR(min) = (VCC − 0.4 V) / 3 mA、最大はR(max) = t(rise) / (0.8473 × C(bus))です。5 VではR(min) = 4.6 V / 0.003 A ≈ 1.53 kΩ、3.3 Vでは≈ 0.97 kΩです。静電容量が100 pFの短いバスでは、100 kHzでR(max) ≈ 11.8 kΩ、400 kHzで≈ 3.5 kΩです。そのため実際には、100 kHzなら4.7 kΩ、400 kHzやデバイスの多いバスなら2.2 kΩがもっともよく使われる値です。抵抗の帯を読むには抵抗カラーコードツールを、抵抗と静電容量による遅れを確かめるにはRC時定数ツールを使えます。

Arduino Unoでは、Wire.begin()を呼ぶとATmega328Pの20〜50 kΩの内部プルアップ抵抗も有効になります。モジュール1つで配線が10〜20 cmなら動くことも多いのですが、信頼できるものではなく、外付けの抵抗のほうが常に確実です。プルアップ抵抗のないむき出しのセンサー基板を使うなら、SDAとSCLの両方からVCCに4.7 kΩの抵抗を入れるのを忘れないでください。

I2Cのピン：Arduino Uno、Mega、ESP32、ESP8266、Pico

ステップごとに：I2Cスキャナーのスケッチでアドレスを調べる

新しいモジュールを手に入れたら、最初にやるべきことはバス上のデバイスのアドレスを調べることです。I2Cスキャナーは0x08〜0x77のすべてのアドレスに空のメッセージを送り、ACKで応答したものを一覧にします。これで、モジュールが正しく配線されていることと、コードに書くべきアドレスの両方がわかります。

1. モジュールのGNDをArduinoのGNDに、VCCを5Vにつなぎます（3.3 Vにしか対応しないモジュールは3.3Vに）。
2. SDAをA4に、SCLをA5につなぎます。モジュールが複数あるなら、ブレッドボード上ですべてのSDAとSCLのピンをまとめます。
3. 次のスケッチを書き込み、シリアルモニタを115200 baudで開きます。
4. 表示されたアドレスを書き留めます。何も表示されなければ、配線、共通のGND、プルアップ抵抗を確認してください。
5. モジュールを1つずつ抜き差しして、どのアドレスがどのデバイスのものかを確かめます。スキャナーは5秒ごとにスキャンし直します。

1#include <Wire.h>
2
3void printHex(byte addr) {
4  Serial.print(F("0x"));
5  if (addr < 16) Serial.print('0');    // tek haneliye sıfır ekle / pad single digit
6  Serial.print(addr, HEX);
7}
8
9void setup() {
10  Serial.begin(115200);
11  Wire.begin();                         // Uno: A4 = SDA, A5 = SCL
12#if defined(ARDUINO_ARCH_AVR)
13  Wire.setWireTimeout(3000, true);      // AVR (Uno, Nano, Mega): hat kilitlenirse 3 ms sonra kurtar / recover a stuck bus after 3 ms
14#endif
15  Serial.println(F("I2C tarayici / I2C scanner"));
16}
17
18void loop() {
19  byte found = 0;
20  for (byte addr = 0x08; addr <= 0x77; addr++) {   // geçerli 7 bit adresler / valid 7-bit addresses
21    Wire.beginTransmission(addr);
22    byte err = Wire.endTransmission();             // 0 = cihaz ACK verdi / device acknowledged
23    if (err == 0) {
24      Serial.print(F("Bulundu / found: "));
25      printHex(addr);
26      Serial.println();
27      found++;
28    } else if (err == 4 || err == 5) {
29      Serial.print(F("Hat hatasi / bus error at "));
30      printHex(addr);
31      Serial.println();
32    }
33  }
34  if (found == 0) {
35    Serial.println(F("Cihaz yok: kablolari ve pull-up'lari kontrol et / no devices: check wiring and pull-ups"));
36  } else {
37    Serial.print(found);
38    Serial.println(F(" cihaz bulundu / device(s) found"));
39  }
40  Serial.println();
41  delay(5000);                          // 5 sn sonra yeniden tara / rescan after 5 s
42}

スケッチのsetWireTimeoutの行は重要です。SDAやSCLが短絡したり、デバイスがラインをLOWにしたまま固まったりすると、初期設定のUnoのWireライブラリはいつまでも待ち続け、プログラムが止まってしまいます。タイムアウトを有効にすると、ライブラリは3 msであきらめてI2Cのハードウェアをリセットし、スキャナーはエラーコードで問題を知らせます。この行は#ifで囲んであり、AVRのボード（Uno、Nano、Mega）でだけコンパイルされます。ESP32とESP8266のWireライブラリにはもともと独自のタイムアウト保護があるので、同じスケッチが3つのプラットフォームすべてでそのままコンパイルでき、動きます。

ライブラリなしのI2C：レジスタの読み書き

ライブラリは便利ですが、内部ではどれも同じことをしています。デバイスにレジスタの番号を送り、そのレジスタからバイトを読むか、そのレジスタにバイトを書くかです。これを一度自分でやってみれば、新しいセンサーのデータシートを読んで、ライブラリがなくても使えるようになります。次の例は、MPU6050センサーをスリープモードから起こし、識別レジスタ（WHO_AM_I）を読み、生の値から温度とZ軸の加速度を計算します。

1#include <Wire.h>
2
3const byte MPU_ADDR = 0x68;             // AD0 GND'de; AD0 = 3.3V ise 0x69 / AD0 low; 0x69 if AD0 high
4
5void writeReg(byte reg, byte value) {
6  Wire.beginTransmission(MPU_ADDR);
7  Wire.write(reg);                      // önce yazmaç adresi / register address first
8  Wire.write(value);                    // sonra veri / then the data
9  Wire.endTransmission();               // STOP gönder / send STOP
10}
11
12int16_t readWord(byte reg) {
13  Wire.beginTransmission(MPU_ADDR);
14  Wire.write(reg);
15  Wire.endTransmission(false);          // STOP yok, tekrarlı START / no STOP, repeated START
16  Wire.requestFrom(MPU_ADDR, (byte)2);  // 2 bayt iste / request 2 bytes
17  uint8_t hi = Wire.read();
18  uint8_t lo = Wire.read();
19  return (int16_t)(((uint16_t)hi << 8) | lo);
20}
21
22void setup() {
23  Serial.begin(115200);
24  Wire.begin();
25  Wire.setClock(400000);                // hızlı mod 400 kHz / fast mode 400 kHz
26  writeReg(0x6B, 0x00);                 // PWR_MGMT_1: uykudan uyandır / wake up from sleep
27  Wire.beginTransmission(MPU_ADDR);
28  Wire.write(0x75);                     // WHO_AM_I yazmacı / WHO_AM_I register
29  Wire.endTransmission(false);
30  Wire.requestFrom(MPU_ADDR, (byte)1);
31  Serial.print(F("WHO_AM_I = 0x"));
32  Serial.println(Wire.read(), HEX);     // 68 beklenir / expect 68
33}
34
35void loop() {
36  int16_t raw = readWord(0x41);         // TEMP_OUT_H ve TEMP_OUT_L / TEMP_OUT_H and TEMP_OUT_L
37  float tempC = raw / 340.0 + 36.53;    // veri sayfasındaki formül / datasheet formula
38  int16_t az = readWord(0x3F);          // Z ekseni ivmesi / Z-axis acceleration
39  Serial.print(F("Sicaklik / temp: "));
40  Serial.print(tempC, 1);
41  Serial.print(F(" C   AccZ: "));
42  Serial.println(az / 16384.0, 2);      // +-2g aralığında 16384 = 1 g / 16384 = 1 g at +-2g
43  delay(500);
44}

読み取り関数のendTransmission(false)の行に注目してください。STOPの代わりにリピートSTARTで方向を変えるため、ほかのデバイスが割り込むことがなく、センサーはどのレジスタを要求されたかを忘れません。WHO_AM_Iが0x68と読めれば、通信は完璧です。安価な互換品のモジュールでは0x70など別の値になることがあります。これはチップがMPU6500のような、互換性はあるものの別のモデルであることを意味し、一部の既製ライブラリが「センサーが見つかりません」と表示する原因です。温度の式（生の値 / 340 + 36.53）はMPU6050のデータシートにあるそのままのものです。加速度は±2 gの範囲で生の値16384が1 gに相当するので、机に平らに置いたセンサーはZ軸で約1.00を示します。

1本のバスに複数のデバイスとアドレスの衝突

I2Cの最大の利点は、アドレスが異なる限り、同じ2本の線にデバイスを並列につなげることです。たとえば、LCD（0x27）、OLED（0x3C）、BMP280（0x76）、DS3231時計（0x68）は、同じA4とA5のピンを問題なく共有できます。各ライブラリは自分のアドレスと通信し、ほかのデバイスは静かに聞いています。問題が起きるのは、2つのデバイスのアドレスが同じときです。両方がACKを送り、データがぶつかり合い、たいていどちらも動きません。解決策は次のとおりです。

• アドレスピンを変える：MPU6050のAD0ピンを3.3 Vにつなぐとアドレスが0x69になり、DS3231（0x68）との衝突がなくなります。
• はんだジャンパーを使う：LCDモジュールのA0〜A2のジャンパーで8つ、ADS1115のADDRピンで4つのアドレスを選べます。
• 2つ目のI2Cバスを使う：衝突するデバイスを、ESP32ならWire1、PicoならI2C1で別のピンに移します。
• I2Cマルチプレクサを加える：TCA9548Aは1つのアドレス（0x70）から8本の独立したサブバスを作ります。同じアドレスのOLEDを8台つなぐことさえできます。
• アドレスが固定のデバイス：DS1307やHTU21Dのように、アドレスをまったく変えられないチップもあります。その場合は、別のバスかマルチプレクサしか手がありません。

ESP32のI2C：自由なピンと2本のバス

ESP32では、I2Cのハードウェアをピンに柔軟に割り当てられます。初期設定のピンはGPIO 21（SDA）とGPIO 22（SCL）ですが、Wire.begin(SDA, SCL)でほぼ好きな2本のGPIOを選べます。従来のESP32とESP32-S3にはI2Cコントローラーが2つあるので、同じアドレスのセンサー2つを別々のバスで動かせます。ESP32-C3のコントローラーは1つだけです。GPIO 34〜39は入力専用で、I2Cには使えません。ボードの全ピン配置はピン配置ツールで、全体的な入門はESP32とは？で確認してください。

1#include <Wire.h>
2
3// Klasik ESP32'de iki I2C denetleyicisi vardır: Wire ve Wire1 / the classic ESP32 has two I2C controllers: Wire and Wire1
4
5void scan(TwoWire &bus, const char *name) {
6  Serial.printf("%s:\n", name);
7  for (uint8_t addr = 0x08; addr <= 0x77; addr++) {
8    bus.beginTransmission(addr);
9    if (bus.endTransmission() == 0) {
10      Serial.printf("  bulundu / found 0x%02X\n", addr);
11    }
12  }
13}
14
15void setup() {
16  Serial.begin(115200);
17  Wire.begin(21, 22);                   // SDA, SCL: varsayılan pinler / default pins
18  Wire1.begin(32, 33, 400000);          // SDA, SCL, hız: başka iki GPIO / SDA, SCL, speed: any two other GPIOs
19  scan(Wire, "Wire  (SDA 21, SCL 22)");
20  scan(Wire1, "Wire1 (SDA 32, SCL 33)");
21}
22
23void loop() {
24}

Raspberry Pi PicoのI2C（MicroPython）

PicoのRP2040チップにはI2C0とI2C1という2つのコントローラーがあり、それぞれをいくつかのピンの組に割り当てられます。I2C0にはGP0/GP1、GP4/GP5、GP8/GP9、GP12/GP13、GP16/GP17、GP20/GP21を、I2C1にはGP2/GP3、GP6/GP7、GP10/GP11、GP14/GP15、GP18/GP19、GP26/GP27を使えます。どの組でも偶数番のピンがSDA、奇数番のピンがSCLです。MicroPythonではスキャナーは1行で済みます。i2c.scan()がACKで応答したアドレスのリストを返します。Picoは3.3 Vで動作するため、モジュールは3V3(OUT)ピンから給電するのがもっとも安全です。RP2040は1 MHzのファストモードプラスにも対応していますが、ブレッドボードでは400 kHzにとどめるほうがトラブルが少なくて済みます。Picoの最初の一歩はRaspberry Pi Picoとは？を参照してください。

1from machine import Pin, I2C
2
3i2c = I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)   # I2C0: GP4 = SDA, GP5 = SCL
4devices = i2c.scan()                                 # ACK veren adresler / addresses that ACK
5
6if devices:
7    for addr in devices:
8        print("Bulundu / found:", hex(addr))
9else:
10    print("Cihaz yok / no devices")
11
12# MPU6050 varsa WHO_AM_I yazmacını oku / if an MPU6050 is present, read WHO_AM_I
13if 0x68 in devices:
14    i2c.writeto_mem(0x68, 0x6B, b"\x00")             # uykudan uyandır / wake up
15    who = i2c.readfrom_mem(0x68, 0x75, 1)[0]
16    print("WHO_AM_I:", hex(who))                     # 0x68 beklenir / expect 0x68

I2Cを使ったプロジェクトアイデア

• ミニ気象観測所：BMP280で気圧と温度を測り、OLEDディスプレイに表示します。2つのモジュールが同じ2本の線を共有します。
• デジタル時計：DS3231時計モジュールから時刻を読み、I2C LCDディスプレイに表示します。
• 傾きインジケーター：MPU6050で角度を計算し、結果を水準器のようにOLEDに描きます。
• Wi-Fiセンサーノード：ESP8266 NodeMCUのD1とD2のピンにつないだセンサーを、スマートフォンから監視します。
• 16サーボのロボットアーム：PCA9685ドライバを使い、たった2本のピンで16個のサーボを制御します。
• データロガー：1分ごとに読み取り値をAT24C256 EEPROMに書き込み、停電してもデータが残るようにします。

よくある間違いと対処法

I2Cは、たった2本の線でディスプレイ、時計、センサー、メモリをプロジェクトに加える、もっとも実用的な方法です。アドレス、プルアップ抵抗、スキャナーのスケッチを理解すれば、ほとんどのトラブルは数分で解決できます。BlueGraysアプリには、I2C LCDディスプレイ、OLEDディスプレイでのポンゲーム、DS1307を使ったデジタル時計、ESP32の天気表示など、I2Cを使うプロジェクトが、ステップごとの回路図とコード付きでそろっています。