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I2C

一、I2C 概述：

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛应用于嵌入式系统的通信协议，尤其适用于主从架构下的短距离通信。它最早由飞利浦（现在的NXP）公司开发，主要用于在集成电路内部以及设备之间的低速通信。以下是I2C协议的一些关键特性和工作原理：

物理层

  • I2C使用两根线进行数据传输：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。

  • 两根线通过上拉电阻接到高电平，这样通信可以使用“线与”（Wired-AND）方式，方便多主多从架构。

  • SCL和SDA线分别传输时钟和数据，因此I2C通信是同步的。

架构

  • I2C采用主从（Master-Slave）结构。每次通信时只有一个主设 备，但可以有多个从设备。

  • 主设备负责生成时钟信号和启动/停止信号。

  • 从设备根据地址识别是否是目标通信对象。

通信流程

  • 起始条件（Start Condition）：主设备将SDA线从高拉到低，而SCL保持高电平，表示通信的开始。

  • 地址传输：主设备发送从设备地址（7位或10位），并在末尾加入一个读/写位（0表示写，1表示读）。

  • 应答（ACK）：从设备接收到地址后，如果地址匹配，就会拉低SDA线应答。

  • 数据传输：在数据传输过程中，每发送一个字节（8位）后，从设备都需要发送应答位。

  • 停止条件（Stop Condition）：主设备将SDA线从低拉到高，而SCL保持高电平，表示通信结束。

二、演示功能概述

本例程将使用 I2C 协议读取传感器数据并打印出来。

三、准备硬件环境

3.1 Air201 模组

本次使用的开发板为 Air201模组，如下图所示：

点击链接购买：合宙Air201模组淘宝购买链接 ；

此模组的详细使用说明参考：Air201 产品手册 。

3.2 BTB扩展板

由于Air201设计的很小巧，没有将所有的引脚测试点都预留到Air201的板子上，我们可以通过BTB连接器将一些引脚扩展出来，这里搭配使用了BTB扩展板。

3.3 数据通信线

typec 接口 USB 数据线即可。

3.4 PC 电脑

WIN10以及以上版本的WINDOWS系统。

3.5 sht20 温湿度传感器一个

3.6 Air201 ,BTB扩展板与 sht20 接线图如下

四、准备软件环境

4.1 基本的下载调试工具

使用说明参考：Luatools 下载和详细使用 ；

五、使用 I2C 读取 sht20 软硬件资料：

5.1 文档和工具：

5.2 I2C硬件参考资料

I2C 配置：

兼容 Philips I2C 标准协议。

支持 Fast mode （400Kbps）和 Slow mode（100Kbps）。

只支持 master 模式，不支持 slave 模式。

理论上最多可支持 127 个从设备。

5.3 sht20介绍

sht20特点：

  • 完全校准
  • 数字输出，I2C接口
  • 低功耗
  • 优异的长期稳定性
  • DFN型封装 - 可回流焊接
  • 工作电压范围是2.1~3.6V.
  • I2C速率支持400k
  • 读取温度的命令为：0xF3
  • 读取湿度的命令为：0xF5

六、代码示例介绍

6.1 读取 SHT20 温湿度传感器

6.1.1 SHT20 简介：

SHT20 是使用 I2C 协议进行通信的温湿度传感器。

首先我们可以发送 STH20 的 7 位从机地址 +1 位读写位（写 0 读 1），然后发送 8 位的命令，0xF3 是读取温度的命令，0xF5 是读取湿度的命令。发送完后接收应答，等待 20us 之后我们发出 I2C 的结束时序。

6.1.2 demo 介绍

首先初始化 i2c

-- 按实际修改哦
    local id = 0

    --[[
        i2c初始化
        @param1    设备id, 例如i2c1的id为1, i2c2的id为2
        @param2    I2C速度, 例如i2c.FAST
        @param3    是否软件上拉, 默认不开启，需要硬件支持
        @return    成功就返回1,否则返回0
    ]]
    local ret = i2c.setup(id)
    log.info("i2c", "initial",ret)

然后给sht20发送读取温湿度命令，接收sht20回传的数据并打印即可。

        --第一种方式
        --[[
            i2c发送读取温度的命令
            @param1    设备id, 例如i2c1的id为1, i2c2的id为2
            @param2    I2C子设备的地址, 7位地址
            @param3    待发送的数据,自适应参数类型
            @param4    可选参数 是否发送停止位 1发送 0不发送 默认发送(105不支持)
            @return    发送是否成功
        ]]
        i2c.send(id, addr, string.char(0xF3))
        sys.wait(100)
        --[[
            i2c接收温度数据
            @param1    设备id, 例如i2c1的id为1, i2c2的id为2
            @param2    I2C子设备的地址, 7位地址
            @param3    接收数据的长度
            @return    收到的数据
        ]]
        tmp = i2c.recv(id, addr, 2)
        log.info("SHT20", "read tem data", tmp:toHex())

        --[[ 发送读取湿度的命令 ]]
        i2c.send(id, addr, string.char(0xF5))
        sys.wait(100)
        --[[ 接收湿度的数据 ]]
        hum = i2c.recv(id, addr, 2)
        log.info("SHT20", "read hum data", hum:toHex())

        local _,tval = pack.unpack(tmp,'>H')
        local _,hval = pack.unpack(hum,'>H')
        if tval and hval then
            --[[ 将温湿度数据转化成常规数据 ]]
            temp = (((17572 * tval) >> 16) - 4685)/100
            hump = (((12500 * hval) >> 16) - 600)/100
            log.info("SHT20", "temp,humi",temp,hump)
        end

七、功能验证：

成功使用 I2C 协议读取到 sht20 传感器的温湿度数值。

八、总结

本例程使用 i2c 协议读取了 sht20 传感器传输的温湿度数值。

扩展

常见问题

1、i2c 每次读写数据前都需要 setup 一次吗？

不需要

正常的业务逻辑为：

i2c.setup

…此处可以多次读写数据

i2c.close

setup 之后，只要没有 close，就可以反复读写数据

一旦执行了 close，下次读写数据前，必须再次 setup

2、i2c 通信时模块可以做从设备吗？

注意：模块 I2C 只能做主设备，(虽然有内部上拉电阻，但是暂时还未实现软件配置)使用时需要外部上拉，在配置 FAST 速率时，上拉电阻阻值不要大于 4.7K。

3、i2c 设备 7 位的地址为 0x38 ，需要我手动转换到 8 位地址吗？

这里 i2c_addr 地址是 7bit 地址

如果 i2c 外设手册中给的是 8bit 地址，需要把 8bit 地址右移 1 位，赋值给 i2c_addr 变量

如果 i2c 外设手册中给的是 7bit 地址，直接把 7bit 地址赋值给 i2c_addr 变量即可