ESP32 - I2C 기반 기능 및 디바이스 분석

ESP32 환경에서 I2C 기반 기능 및 디바이스 분석

1. 개요

I2C(Inter-Integrated Circuit)는 저속·저전력 환경에서 다수의 주변장치를 연결하기 위한 직렬 통신 프로토콜이다. ESP32는 하드웨어 I2C 컨트롤러를 내장하고 있으며, 다양한 센서, 디스플레이, 전력 관리 IC, 확장 장치와의 연동에 최적화되어 있다.

본 리포트는 ESP32 환경에서 활용 가능한 I2C 기능을 체계적으로 정리하고, 대표 IC 및 적용 분야, 설계 시 고려사항을 분석하는 것을 목적으로 한다.

 

2. I2C 프로토콜 개요

2.1 기본 특성

• 통신 방식: SDA(Data), SCL(Clock) 2선식
• 주소 방식: 7-bit / 10-bit 주소
• 속도 모드:
  • Standard Mode: 100 kHz
  • Fast Mode: 400 kHz
  • Fast Mode Plus: 1 MHz
  • High-Speed Mode: 3.4 MHz (제한적)

2.2 ESP32 I2C 특징

• 하드웨어 I2C 컨트롤러 2개 내장
• 소프트웨어 I2C 구현 가능
• 멀티 마스터/슬레이브 지원
• DMA 및 인터럽트 활용 가능

 

3. I2C 기반 기능 분류

3.1 디스플레이 및 LED 제어

3.1.1 LED 드라이버 IC

IC제조사주요 기능특징

HT16K33	Holtek	7세그, LED 매트릭스, 키패드	MAX7219 대체 가능
IS31FL3731	ISSI	LED 매트릭스	고급 PWM 제어
PCA9685	NXP	16채널 PWM	서보/LED 제어
TLC59116	TI	16채널 LED	정밀 전류 제어

3.1.2 디스플레이 컨트롤러

IC유형특징

SSD1306	OLED	저전력, 소형 디스플레이
SH1106	OLED	SSD1306 호환
HD44780 + PCF8574	LCD	I2C 확장 LCD

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3.2 GPIO 확장

3.2.1 I/O Expander

IC제조사채널 수특징

PCF8574	NXP	8	저가, 범용
PCF8575	NXP	16	확장형
MCP23017	Microchip	16	인터럽트 지원
TCA9555	TI	16	산업용

활용 사례:

• 버튼/스위치 입력 확장
• 릴레이 제어
• 키패드 구현

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3.3 센서 인터페이스

3.3.1 환경 센서

IC측정 항목특징

BME280	온도/습도/압력	복합 센서
SHT31	온습도	고정밀
BH1750	조도	광 센서

3.3.2 IMU 및 위치 센서

IC기능

MPU6050	가속도/자이로
ICM20948	9축 IMU
VL53L0X	거리 측정

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3.4 아날로그 확장 (ADC/DAC)

IC유형특징

ADS1115	ADC	16-bit 고정밀
MCP3421	ADC	저전력
MCP4725	DAC	12-bit 출력

활용 분야:

• 정밀 센서 데이터 수집
• 산업용 신호 처리

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3.5 전력 관리 및 배터리 모니터링

IC기능

INA219	전압/전류 측정
INA226	고정밀 전력 측정
MAX17043	배터리 게이지
BQ27441	TI 배터리 관리

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3.6 RTC 및 시간 관리

IC특징

DS3231	고정밀 RTC
PCF8563	저전력 RTC

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3.7 메모리 및 저장장치

IC유형특징

AT24C64	EEPROM	설정 저장
MB85RC256	FRAM	고속, 내구성

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3.8 인터페이스 확장

IC기능

SC16IS750	I2C → UART
TCA9548A	I2C 멀티플렉서

 

4. I2C 설계 시 고려사항

4.1 주소 충돌 문제

• 동일 주소 IC 사용 시 충돌 발생
• 해결 방법:
  • 주소 변경 가능 IC 사용
  • I2C 멀티플렉서(TCA9548A) 적용

4.2 풀업 저항 설계

• SDA/SCL 라인에 풀업 저항 필수
• 일반 권장값: 2.2kΩ ~ 10kΩ

4.3 버스 길이 및 노이즈

• 배선 길이 증가 시 신호 품질 저하
• 클럭 속도 조정 필요

4.4 ESP32 성능 최적화

• DMA 활용
• 인터럽트 기반 처리
• 클럭 속도 조정 (100kHz ↔ 400kHz)

 

5. I2C vs SPI 비교 분석 (ESP32 기준)

항목I2CSPI

배선 수	2	4 이상
속도	중간	고속
확장성	높음	낮음
전력 효율	우수	보통
구현 난이도	낮음	중간

결론:

• 센서, UI, IoT 시스템: I2C 최적
• 고속 디스플레이, 대용량 데이터: SPI 권장

 

6. 결론

ESP32 환경에서 I2C는 단순 통신 인터페이스를 넘어 시스템 확장의 핵심 인프라 역할을 수행한다.

특히 다음과 같은 영역에서 가장 높은 효율을 보인다.

• 센서 네트워크 구축
• 디스플레이 및 UI 구현
• GPIO 및 아날로그 확장
• 전력 및 배터리 관리

따라서 ESP32 기반 시스템 설계 시, I2C는 필수적으로 고려해야 할 핵심 인터페이스로 평가된다.