張高興的 .NET Core IoT 入門指南:(三)使用 I2C 進行通信

什麼是 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年代爲了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備而發展[1]。I2C 總線包含兩根信號線,一根爲信號線 SDA ,另一根爲時鐘線 SCL 。總線上可以掛載多個設備,以 7 位 I2C 地址爲例,總線上最多可以掛載 27 - 1 個設備,即 127 個,地址 0x00 不用(類似於網絡中的廣播地址)。I2C 還包括一個子集叫 SMBus (System Management Bus),是 1995 年由 Intel 提出的[2]。爲什麼說是子集,是因爲 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,傳感器爲從設備。


圖源:Wikipedia

  注意

System.Device.Gpio 目前並不支持 I2C Repeated,I2cDevice 類尚未提供 WriteRead() 方法,部分設備可能無法正常通信。

Issue:I2C API should support Restart/Repeat condition #129

I2C 總線也並不是那麼完美。因爲 I2C 只有兩根信號線,與 SPI 的四根信號線相比,傳輸速率上並不佔優,而且數據在同一時間內只能向一個方向傳輸。但反過來看,I2C 總線的最大優點是只需要佔用兩個 IO 接口,在單片機等 IO 接口數量較少的設備上也算是一種優勢吧。

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


Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖

相關類

I2C 操作的相關類位於 System.Device.I2cSystem.Device.I2c.Drivers 命名空間下。

I2cConnectionSettings

I2cConnectionSettings 類位於 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
    // busId 是 I2C 總線的內部 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

UnixI2cDeviceWindows10I2cDevice 類位於 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。這裏以 UnixI2cDevice 類爲例說明。

public class UnixI2cDevice : I2cDevice
{
    // 構造函數
    // 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據,數據長度由 Span 的長度決定
    public override void Read(Span<byte> buffer);
    // 從從設備中讀取一個字節的數據
    public override byte ReadByte();

    // 向從設備中寫入一段數據,通常 Span 中的第一個數據爲要寫入數據的寄存器的地址
    public override void Write(ReadOnlySpan<byte> data);
    // 向從設備中寫入一個字節的數據,通常這個字節爲寄存器的地址
    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。因爲 .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

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

  2. 讀取從設備中的數據

    定位完成後就可以向從設備請求數據了。如果要讀取一個字節的數據,那麼就調用 ReadByte() 方法,如果要讀取多個字節,首先需要實例化一個 byte 數組,通過調用 Read() 方法來讀取多個數據,讀取的數據取決於數組的長度。比如要讀取 8 個字節的數據,代碼如下:
    C# Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; sensor.Read(readBuffer);

寫入

寫入一般用於配置從設備的寄存器。因爲你不可能只向從設備寫入寄存器的地址吧,所以通常會調用 Write() 方法。比如向地址爲 0x01 的寄存器寫入一個字節的數據,代碼如下:

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

溫溼度傳感器讀取實驗

本實驗選用的傳感器爲奧鬆的 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。數據手冊地址:https://wenku.baidu.com/view/325b7096eff9aef8941e06f9.html

  提示

數據手冊(Datasheet)是電子元件的使用說明書,包括介紹、電氣特性、通信協議、性能等方面的內容。拿到數據手冊時我們應該關注什麼?

1. 關注該元件的通信協議。有些設備支持多種通信協議,如本實驗用到的 DHT12 不僅支持 I2C,還支持 1-Wire 協議。選擇合適的通信協議進行編程。

2. 關注打算使用的通信協議的細節。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。有些設備的通信很簡單,並不需要拐彎抹角,但還有一些設備需要發送一些額外的命令。比如你在發送完寄存器地址後還需要緊接着發送一段命令,用於決定是讀還是寫該寄存器,返回數據時是按字節(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。數據手冊中基本上都會把每個寄存器逐條列出,注意細節即可。

傳感器圖像

硬件需求

名稱 數量
DHT12 x1
4.7 kΩ 電阻 x2
杜邦線 若干

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 控制檯應用程序,項目名稱爲“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;    // 若數據手冊中給的是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 溼度
        /// </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]; 
    
            // 數據手冊第三頁提供了寄存器地址表
    
            // DHT12 溼度寄存器地址
            _sensor.WriteByte(0x00);
            // 連續讀取數據
            // 溼度整數位,溼度小數位,溫度整數位,溫度小數位,校驗和
            _sensor.Read(readBuff);
    
            // 校驗數據,校驗方法見數據手冊第五頁
            // 校驗位=溼度高位+溼度低位+溫度高位+溫度低位
            if ((readBuff[4] == ((readBuff[0] + readBuff[1] + readBuff[2] + readBuff[3]) & 0xFF)))
            {
                // 溫度小數位的範圍在0-9,所以與上0x7F即可
                double temp = readBuff[2] + (readBuff[3] & 0x7F) * 0.1;
                // 溫度小數位第8個bit爲1則表示採樣得出的溫度爲負溫
                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. Program.cs 中,將主函數代碼替換如下:

    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. 發佈、拷貝、更改權限、運行

效果圖


  備註

下一篇文章將談談 SPI 的使用。

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