什么是 I²C 總線

I²C 總線（Inter-Integrated Circuit Bus）是設備與設備間通信方式的一種。它是一種串行通信總線，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機用以連接低速周邊設備而發(fā)展^[1]。I²C 總線包含兩根信號線，一根為信號線 SDA ，另一根為時鐘線 SCL ?？偩€上可以掛載多個設備，以 7 位 I²C 地址為例，總線上最多可以掛載 2⁷ - 1 個設備，即 127 個，地址 0x00 不用（類似于網(wǎng)絡中的廣播地址）。I²C 還包括一個子集叫 SMBus （System Management Bus），是 1995 年由 Intel 提出的^[2]。為什么說是子集，是因為 SMBus 是 I²C 的簡化版，電氣特性和傳輸速率等方面上略有不同。下圖展示了一個 I²C 主設備和三個 I²C 從設備的示意圖，總線上只能有一個主設備，而通常情況下你的主機（如 Raspberry Pi，Arduino）就是主設備，傳感器為從設備。

圖源：Wikipedia

注意
System.Device.Gpio 目前并不支持 I²C Repeated，I2cDevice 類尚未提供 WriteRead() 方法，部分設備可能無法正常通信。
Issue：<a >I2C API should support Restart/Repeat condition #129</a>

I²C 總線也并不是那么完美。因為 I²C 只有兩根信號線，與 SPI 的四根信號線相比，傳輸速率上并不占優(yōu)，而且數(shù)據(jù)在同一時間內(nèi)只能向一個方向傳輸。但反過來看，I²C 總線的最大優(yōu)點是只需要占用兩個 IO 接口，在單片機等 IO 接口數(shù)量較少的設備上也算是一種優(yōu)勢吧。

在 Raspberry Pi 的引腳中，引出了一組 I²C 接口，其內(nèi)部總線 ID 為 1，引腳中的 GPIO 2 為 SDA，GPIO 3 為 SCL（如下圖所示）。至于 I²C-0，它用于 Raspberry Pi 內(nèi)部的 GPIO 擴展器、相機、顯示器等其他設備。Raspberry Pi 的 I²C 引腳中內(nèi)置了一個 1.8 kΩ 的上拉電阻，這意味著在一般情況下使用 I²C 總線時不必再連接一個額外的上拉電阻。

相關類

I²C 操作的相關類位于 System.Device.I2c 和 System.Device.I2c.Drivers 命名空間下。

I2cConnectionSettings

I2cConnectionSettings 類位于 System.Device.I2c 命名空間下，表示 I²C 設備的連接設置。

public sealed class I2cConnectionSettings
{
    // 構造函數(shù)
    // busId 是 I2C 總線的內(nèi)部 ID，在 Raspberry Pi 上只能填 1
    // deviceAddress 是要連接設備的 I2C 地址
    public I2cConnectionSettings(int busId, int deviceAddress);
}

UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice

UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice 類位于 System.Device.I2c.Drivers 命名空間下。兩個類均派生自抽象類 I2cDevice，分別代表 Unix 和 Windows10 下的 I2C 控制器，使用時按照所處的平臺有選擇的進行實例化。這里以 UnixI2cDevice 類為例說明。

public class UnixI2cDevice : I2cDevice
{
    // 構造函數(shù)
    // 需要傳入一個 I2cConnectionSettings 對象
    public UnixI2cDevice(I2cConnectionSettings settings);

    // 方法
    // 從從設備中讀取一段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度由 Span 的長度決定
    public override void Read(Span<byte> buffer);
    // 從從設備中讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
    public override byte ReadByte();

    // 向從設備中寫入一段數(shù)據(jù)，通常 Span 中的第一個數(shù)據(jù)為要寫入數(shù)據(jù)的寄存器的地址
    public override void Write(ReadOnlySpan<byte> data);
    // 向從設備中寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，通常這個字節(jié)為寄存器的地址
    public override void WriteByte(byte data);
}

I²C 總線的通信步驟

在開始實驗之前，首先說明一下 I²C 總線的讀取和寫入的步驟。因為 .NET 幫我們封裝好了一些操作方法，這大大簡化了 I²C 的操作難度，即使你沒有豐富的硬件知識也可以順利的操作硬件，所以我們不必像開發(fā)單片機一樣去研究設備之間通信的時序圖（當然，如果通信出現(xiàn)錯誤的話還是需要用時序圖幫助判斷）。

讀取

1. 向從設備寫入要讀取的寄存器的地址

   這類似于數(shù)組的指針，需要先定位到相應的位置才能讀取。通常地址是一位的，只需要調(diào)用 WriteByte() 方法即可，但也有特殊情況，比如兩個字節(jié)的地址或者命令+地址時，就需要調(diào)用 Write() 方法。

2. 讀取從設備中的數(shù)據(jù)

   定位完成后就可以向從設備請求數(shù)據(jù)了。如果要讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么就調(diào)用 ReadByte() 方法，如果要讀取多個字節(jié)，首先需要實例化一個 byte 數(shù)組，通過調(diào)用 Read() 方法來讀取多個數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)取決于數(shù)組的長度。比如要讀取 8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，代碼如下：

   Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; 
   sensor.Read(readBuffer);
   

寫入

寫入一般用于配置從設備的寄存器。因為你不可能只向從設備寫入寄存器的地址吧，所以通常會調(diào)用 Write() 方法。比如向地址為 0x01 的寄存器寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，代碼如下：

Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xFF }; 
sensor.Write(writeBuffer);

溫濕度傳感器讀取實驗

本實驗選用的傳感器為奧松的 DHT12。主要考慮到這個傳感器讀取非常簡單，不用配置，價格便宜，很適合用來練手。數(shù)據(jù)手冊地址：https://wenku.baidu.com/view/325b7096eff9aef8941e06f9.html 。

提示
數(shù)據(jù)手冊（Datasheet）是電子元件的使用說明書，包括介紹、電氣特性、通信協(xié)議、性能等方面的內(nèi)容。拿到數(shù)據(jù)手冊時我們應該關注什么？

1. 關注該元件的通信協(xié)議。有些設備支持多種通信協(xié)議，如本實驗用到的 DHT12 不僅支持 I2C，還支持 1-Wire 協(xié)議。選擇合適的通信協(xié)議進行編程。
2. 關注打算使用的通信協(xié)議的細節(jié)。比如 I2C 總線，你需要關注元件的地址、各個寄存器的地址、最大傳輸速率等等。
3. 關注該元件的通信的細節(jié)。有些設備的通信很簡單，并不需要拐彎抹角，但還有一些設備需要發(fā)送一些額外的命令。比如你在發(fā)送完寄存器地址后還需要緊接著發(fā)送一段命令，用于決定是讀還是寫該寄存器，返回數(shù)據(jù)時是按字節(jié)（byte）返回還是按字（word）返回等。
4. 關注各個寄存器的作用和配置。數(shù)據(jù)手冊中基本上都會把每個寄存器逐條列出，注意細節(jié)即可。

傳感器圖像

硬件需求

電路

• SCL - SCL
• SDA - SDA
• VCC - 5V
• GND - GND

如果你的 DHT12 是裸板的話需要像電路圖中一樣給 SDA 和 SCL 加上上拉電阻。

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制臺應用程序，項目名稱為“Dht12”。

2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

3. 新建類 Dht12，替換如下代碼：

   public class Dht12 : IDisposable
   {
       /// <summary>
       /// DHT12 默認 I2C 地址
       /// </summary>
       public const byte DefaultI2cAddress = 0x5C;    // 若數(shù)據(jù)手冊中給的是8位的I2C地址要記得右移1位
   
       private I2cDevice _sensor;
   
       private double _temperature;
       /// <summary>
       /// DHT12 溫度
       /// </summary>
       public double Temperature
       {
           get
           {
               ReadData();
               return _temperature;
           }
       }
   
       private double _humidity;
       /// <summary>
       /// DHT12 濕度
       /// </summary>
       public double Humidity
       {
           get
           {
               ReadData();
               return _humidity;
           }
       }
   
       /// <summary>
       /// 實例化一個 DHT12 對象
       /// </summary>
       /// <param name="sensor">I2CDevice，如 UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice</param>
       public Dht12(I2cDevice sensor)
       {
           _sensor = sensor;
       }
   
       private void ReadData()
       {
           Span<byte> readBuff = stackalloc byte[5]; 
   
           // 數(shù)據(jù)手冊第三頁提供了寄存器地址表
   
           // DHT12 濕度寄存器地址
           _sensor.WriteByte(0x00);
           // 連續(xù)讀取數(shù)據(jù)
           // 濕度整數(shù)位，濕度小數(shù)位，溫度整數(shù)位，溫度小數(shù)位，校驗和
           _sensor.Read(readBuff);
   
           // 校驗數(shù)據(jù)，校驗方法見數(shù)據(jù)手冊第五頁
           // 校驗位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位
           if ((readBuff[4] == ((readBuff[0] + readBuff[1] + readBuff[2] + readBuff[3]) & 0xFF)))
           {
               // 溫度小數(shù)位的范圍在0-9，所以與上0x7F即可
               double temp = readBuff[2] + (readBuff[3] & 0x7F) * 0.1;
               // 溫度小數(shù)位第8個bit為1則表示采樣得出的溫度為負溫
               temp = (readBuff[3] & 0x80) == 0 ? temp : -temp;
   
               double humi = readBuff[0] + readBuff[1] * 0.1;
   
               _temperature = temp;
               _humidity = humi;
           }
           else
           {
               _temperature = double.NaN;
               _humidity = double.NaN;
           }
       }
   }
   

4. 在 Program.cs 中，將主函數(shù)代碼替換如下：

   static void Main(string[] args)
   {
       I2cConnectionSettings settings = new I2cConnectionSettings(1, Dht12.DefaultI2cAddress);
       UnixI2cDevice device = new UnixI2cDevice(settings);
   
       using (Dht12 dht = new Dht12(device))
       {
           while (true)
           {
               Console.WriteLine($"Temperature: {dht.Temperature.ToString("0.0")} °C, Humidity: {dht.Humidity.ToString("0.0")} %");
   
               Thread.Sleep(2000);
           }
       }
   }
   

5. 發(fā)布、拷貝、更改權限、運行

效果圖

備注
下一篇文章將談談 SPI 的使用。