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

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，一根為信號線 SDA ，另一根為時鍾線 SCL 。總線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]。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1：I2C 設備

I²C 總線也並不是那么完美。因為 I²C 只有兩根信號線，與 SPI 的四根信號線相比，傳輸速率上並不占優，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占用兩個 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 為 1，引腳中的 GPIO 2 為 SDA，GPIO 3 為 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.I2c 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);
}

I2cDevice

I2cDevice 是一個抽象類，通過單例模式創建具體的對象。具體實現是通過兩個內部類 UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice ，分別代表 Unix 和 Windows10 下的 I2C 控制器。

public abstract partial class I2cDevice : IDisposable
{
    // 創建 I2cDevice 對象
    public static I2cDevice Create(I2cConnectionSettings settings);

    // 從從設備中讀取一段數據，數據長度由 Span 的長度決定
    public abstract void Read(Span<byte> buffer);
    // 從從設備中讀取一個字節的數據
    public abstract byte ReadByte();

    // 向從設備中寫入一段數據，通常 Span 中的第一個數據為要寫入數據的寄存器的地址
    public abstract void Write(ReadOnlySpan<byte> data);
    // 向從設備中寫入一個字節的數據，通常這個字節為寄存器的地址
    public abstract void WriteByte(byte data);

    // 向從設備中寫入一段數據，然后從該設備中讀取一段數據
    // 該方法多用於 SMBus 協議
    public abstract void WriteRead(ReadOnlySpan<byte> writeBuffer, Span<byte> readBuffer);
}

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

   定位完成后就可以向從設備請求數據了。如果要讀取一個字節的數據，那么就調用 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：

   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，所以通常會調用 Write() 方法。比如向地址為 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么？

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后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。

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

• SDA - SDA (Pin 3)
• SCL - SCL (Pin 5)
• 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。

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/Dhtxx

docker build -t dht-sample -f Dockerfile .
docker run --rm -it --device /dev/i2c-1 dht-sample

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制台應用程序，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 濕度
       /// </summary>
       public double Humidity
       {
           get
           {
               ReadData();
               return _humidity;
           }
       }
   
       /// <summary>
       /// 實例化一個 DHT12 對象
       /// </summary>
       /// <param name="sensor">I2C Device</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 濕度寄存器地址
           _sensor.WriteByte(0x00);
           // 連續讀取數據
           // 濕度整數位，濕度小數位，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=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，將主函數代碼替換如下：

   static void Main(string[] args)
   {
       I2cConnectionSettings settings = new I2cConnectionSettings(1, Dht12.DefaultI2cAddress);
       I2cDevice device = I2cDevice.Create(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. 發布、拷貝、更改權限、運行

效果圖

供參考

1. I2C - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/I²C
2. I2C source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/I2c
3. I2C總線 - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/I2C總線/918424
4. SMBus - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/SMBus/1190006