RT-Thread設(shè)備框架使用指南——I2C總線設(shè)備簡(jiǎn)介

I2C 簡(jiǎn)介

I2C（Inter Integrated Circuit）總線是 PHILIPS 公司開(kāi)發(fā)的一種半雙工、雙向二線制同步串行總線。I2C 總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只需兩根信號(hào)線，一根是雙向數(shù)據(jù)線 SDA（serial data），另一根是雙向時(shí)鐘線 SCL（serial clock）。SPI 總線有兩根線分別用于主從設(shè)備之間接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，而 I2C 總線只使用一根線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

I2C 和 SPI 一樣以主從的方式工作，不同于 SPI 一主多從的結(jié)構(gòu)，它允許同時(shí)有多個(gè)主設(shè)備存在，每個(gè)連接到總線上的器件都有唯一的地址，主設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，從設(shè)備被主設(shè)備尋址，同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主設(shè)備。如下圖所示：

I2C 總線主從設(shè)備連接方式

如下圖所示為 I2C 總線主要的數(shù)據(jù)傳輸格式：

I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸格式

當(dāng)總線空閑時(shí)，SDA 和 SCL 都處于高電平狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)要和某個(gè)從機(jī)通訊時(shí)，會(huì)先發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，然后發(fā)送從機(jī)地址和讀寫(xiě)控制位，接下來(lái)傳輸數(shù)據(jù)（主機(jī)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)主機(jī)會(huì)發(fā)送結(jié)束信號(hào)。傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)為8位，高位在前，低位在后。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的不同名詞詳解如下所示：

開(kāi)始條件：SCL 為高電平時(shí)，主機(jī)將 SDA 拉低，表示數(shù)據(jù)傳輸即將開(kāi)始。

從機(jī)地址：主機(jī)發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為從機(jī)地址，高 7 位為地址，最低位為 R/W 讀寫(xiě)控制位，1 表示讀操作，0 表示寫(xiě)操作。一般從機(jī)地址有 7 位地址模式和 10 位地址模式兩種，如果是 10 位地址模式，第一個(gè)字節(jié)的頭 7 位 是 11110XX 的組合，其中最后兩位（XX）是 10 位地址的兩個(gè)最高位，第二個(gè)字節(jié)為 10 位從機(jī)地址的剩下8位，如下圖所示：

7 位地址和 10 位地址格式

應(yīng)答信號(hào)：每傳輸完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收方就需要回復(fù)一個(gè) ACK（acknowledge）。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)由從機(jī)發(fā)送 ACK，讀數(shù)據(jù)時(shí)由主機(jī)發(fā)送 ACK。當(dāng)主機(jī)讀到最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，可發(fā)送 NACK（Negative Acknowledgement）然后跟停止條件。

數(shù)據(jù)：地址幀發(fā)送完后可能會(huì)發(fā)送一些指令，依從機(jī)而定，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，由主機(jī)或者從機(jī)發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)為 8 位，數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)沒(méi)有限制。

重復(fù)開(kāi)始條件：在一次通信過(guò)程中，主機(jī)可能需要和不同的從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)或者需要切換讀寫(xiě)操作時(shí)，主機(jī)可以再發(fā)送一個(gè)開(kāi)始條件。

停止條件：在 SDA 為低電平時(shí)，主機(jī)將 SCL 拉高并保持高電平，然后在將 SDA 拉高，表示傳輸結(jié)束。

訪問(wèn) I2C 總線設(shè)備

一般情況下 MCU 的 I2C 器件都是作為主機(jī)和從機(jī)通訊，在 RT-Thread 中將 I2C 主機(jī)虛擬為 I2C總線設(shè)備，I2C 從機(jī)通過(guò) I2C 設(shè)備接口和 I2C 總線通訊，相關(guān)接口如下所示：

查找 I2C 總線設(shè)備

在使用 I2C 總線設(shè)備前需要根據(jù) I2C 總線設(shè)備名稱獲取設(shè)備句柄，進(jìn)而才可以操作 I2C 總線設(shè)備，查找設(shè)備函數(shù)如下所示，

1rt_device_trt_device_find(constchar*name);

1#defineAHT10_I2C_BUS_NAME"i2c1"/*傳感器連接的I2C總線設(shè)備名稱*/2structrt_i2c_bus_device*i2c_bus;/*I2C總線設(shè)備句柄*/34/*查找I2C總線設(shè)備，獲取I2C總線設(shè)備句柄*/5i2c_bus=(structrt_i2c_bus_device*)rt_device_find(name);一般情況下，注冊(cè)到系統(tǒng)的 I2C 設(shè)備名稱為 i2c0 ，i2c1等，使用示例如下所示：

數(shù)據(jù)傳輸

獲取到 I2C 總線設(shè)備句柄就可以使用 rt_i2c_transfer() 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。函數(shù)原型如下所示：

1rt_size_trt_i2c_transfer(structrt_i2c_bus_device*bus,2structrt_i2c_msgmsgs[],3rt_uint32_tnum);

和 SPI 總線的自定義傳輸接口一樣，I2C 總線的自定義傳輸接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也是以一個(gè)消息為單位。參數(shù) msgs[] 指向待傳輸?shù)南?shù)組，用戶可以自定義每條消息的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn) I2C 總線所支持的 2 種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。如果主設(shè)備需要發(fā)送重復(fù)開(kāi)始信號(hào)，則需要發(fā)送 2 個(gè)消息。

I2C 消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)原型如下：

1structrt_i2c_msg2{3rt_uint16_taddr;/*從機(jī)地址*/4rt_uint16_tflags;/*讀、寫(xiě)標(biāo)志等*/5rt_uint16_tlen;/*讀寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)*/6rt_uint8_t*buf;/*讀寫(xiě)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針*/7}

從機(jī)地址 addr：支持 7 位和 10 位二進(jìn)制地址，需查看不同設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊(cè) 。RT-Thread I2C 設(shè)備接口使用的從機(jī)地址均為不包含讀寫(xiě)位的地址，讀寫(xiě)位控制需修改標(biāo)志 flags。

標(biāo)志 flags 可取值為以下宏定義，根據(jù)需要可以與其他宏使用位運(yùn)算 “|” 組合起來(lái)使用。

1#defineRT_I2C_WR0x0000/*寫(xiě)標(biāo)志*/2#defineRT_I2C_RD(1u<

使用示例如下所示：

1#defineAHT10_I2C_BUS_NAME"i2c1"/*傳感器連接的I2C總線設(shè)備名稱*/ 2#defineAHT10_ADDR0x38/*從機(jī)地址*/ 3structrt_i2c_bus_device*i2c_bus;/*I2C總線設(shè)備句柄*/ 4 5/*查找I2C總線設(shè)備，獲取I2C總線設(shè)備句柄*/ 6i2c_bus=(structrt_i2c_bus_device*)rt_device_find(name); 7 8/*讀傳感器寄存器數(shù)據(jù)*/ 9staticrt_err_tread_regs(structrt_i2c_bus_device*bus,rt_uint8_tlen,rt_uint8_t*buf)10{11structrt_i2c_msgmsgs;1213msgs.addr=AHT10_ADDR;/*從機(jī)地址*/14msgs.flags=RT_I2C_RD;/*讀標(biāo)志*/15msgs.buf=buf;/*讀寫(xiě)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針*/16msgs.len=len;/*讀寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)*/1718/*調(diào)用I2C設(shè)備接口傳輸數(shù)據(jù)*/19if(rt_i2c_transfer(bus,&msgs,1)==1)20{21returnRT_EOK;22}23else24{25return-RT_ERROR;26}27}

I2C 總線設(shè)備使用示例

I2C 設(shè)備的具體使用方式可以參考如下示例代碼，示例代碼的主要步驟如下：

首先根據(jù) I2C 設(shè)備名稱查找 I2C 名稱，獲取設(shè)備句柄，然后初始化 aht10 傳感器。

控制傳感器的 2 的函數(shù)為寫(xiě)傳感器寄存器 write_reg() 和讀傳感器寄存器 read_regs()，這兩個(gè)函數(shù)分別調(diào)用了 rt_i2c_transfer() 傳輸數(shù)據(jù)。讀取溫濕度信息的函數(shù) read_temp_humi() 則是調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)完成功能。

1/* 2*程序清單：這是一個(gè)I2C設(shè)備使用例程 3*例程導(dǎo)出了i2c_aht10_sample命令到控制終端 4*命令調(diào)用格式：i2c_aht10_samplei2c1 5*命令解釋：命令第二個(gè)參數(shù)是要使用的I2C總線設(shè)備名稱，為空則使用默認(rèn)的I2C總線設(shè)備 6*程序功能：通過(guò)I2C設(shè)備讀取溫濕度傳感器aht10的溫濕度數(shù)據(jù)并打印 7*/ 8 9#include 10#include 11 12#defineAHT10_I2C_BUS_NAME"i2c1"/*傳感器連接的I2C總線設(shè)備名稱*/ 13#defineAHT10_ADDR0x38/*從機(jī)地址*/ 14#defineAHT10_CALIBRATION_CMD0xE1/*校準(zhǔn)命令*/ 15#defineAHT10_NORMAL_CMD0xA8/*一般命令*/ 16#defineAHT10_GET_DATA0xAC/*獲取數(shù)據(jù)命令*/ 17 18staticstructrt_i2c_bus_device*i2c_bus=RT_NULL;/*I2C總線設(shè)備句柄*/ 19staticrt_bool_tinitialized=RT_FALSE;/*傳感器初始化狀態(tài)*/ 20 21/*寫(xiě)傳感器寄存器*/ 22staticrt_err_twrite_reg(structrt_i2c_bus_device*bus,rt_uint8_treg,rt_uint8_t*data) 23{ 24rt_uint8_tbuf[3]; 25structrt_i2c_msgmsgs; 26 27buf[0]=reg;//cmd 28buf[1]=data[0]; 29buf[2]=data[1]; 30 31msgs.addr=AHT10_ADDR; 32msgs.flags=RT_I2C_WR; 33msgs.buf=buf; 34msgs.len=3; 35 36/*調(diào)用I2C設(shè)備接口傳輸數(shù)據(jù)*/ 37if(rt_i2c_transfer(bus,&msgs,1)==1) 38{ 39returnRT_EOK; 40} 41else 42{ 43return-RT_ERROR; 44} 45} 46 47/*讀傳感器寄存器數(shù)據(jù)*/ 48staticrt_err_tread_regs(structrt_i2c_bus_device*bus,rt_uint8_tlen,rt_uint8_t*buf) 49{ 50structrt_i2c_msgmsgs; 51 52msgs.addr=AHT10_ADDR; 53msgs.flags=RT_I2C_RD; 54msgs.buf=buf; 55msgs.len=len; 56 57/*調(diào)用I2C設(shè)備接口傳輸數(shù)據(jù)*/ 58if(rt_i2c_transfer(bus,&msgs,1)==1) 59{ 60returnRT_EOK; 61} 62else 63{ 64return-RT_ERROR; 65} 66} 67 68staticvoidread_temp_humi(float*cur_temp,float*cur_humi) 69{ 70rt_uint8_ttemp[6]; 71 72write_reg(i2c_bus,AHT10_GET_DATA,0);/*發(fā)送命令*/ 73read_regs(i2c_bus,6,temp);/*獲取傳感器數(shù)據(jù)*/ 74 75/*濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換*/ 76*cur_humi=(temp[1]<>4)*100.0/(1<