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
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I2C使用两根线进行数据传输:SCL(时钟线)和SDA(数据线)。
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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。
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SCL和SDA线分别传输时钟和数据,因此I2C通信是同步的。
架构
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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。
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主设备负责生成时钟信号和启动/停止信号。
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从设备根据地址识别是否是目标通信对象。
通信流程
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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。
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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)。
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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。
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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。
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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
参考:硬件环境清单第二章节内容,准备以及组装好硬件环境。
3.1 Air780EGH 核心板V1.0 及 所需测试配件 SHT20模块
3.2 Air780EGH核心板 与 sht20 接线图示意图
硬件I2C测试接线:
软件I2C测试接线:
3.2.3 注意
当您使用Air780EGH核心板,通过外扩插针的I2C1管脚,外接I2C接口的传感器时,若Air780EGH 核心板没有为I2C1/I2C0两路I2C接口加上拉电阻,需要外接的传感器模块电路上加上拉电阻。
四、软件环境
在开始实践本示例之前,先筹备一下软件环境:
1. Luatools 工具;
2. 内核固件文件(底层 core 固件文件):LuatOS-SoC_V2007_Air780EGH;参考项目使用的内核固件;
3. luatos需要的脚本和资源文件
脚本和资源文件点我,查看demo链接
lib脚本文件:使用Luatools烧录时,勾选 添加默认lib 选项,使用默认lib脚本文件;
准备好软件环境之后,接下来查看如何烧录项目文件到Air780GH开发板,将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到Air780EGH核心板中。
五、使用 I2C 读取 sht20 软硬件资料
5.1 API接口介绍
5.2 I2C硬件参考资料
Air780EGH 支持 2 路通用 I2C 接口,I2C0 和 I2C1 ,其中,推荐优先选择 I2C1
通用 I2C1 接口参考:I2C 接口设计指导
I2C1 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。
I2C 的参考电路如下:
Air780EGH 的 I2C1 接口电压是 1.8V/3.3V 可配置。
通过 pm.ioVol(pm.IOVOL_ALL_GPIO, 3300) 设置,该函数设置所有GPIO的电压域,参数为 3300 表示 3.3V,参数为 1800 表示 1.8V。能够满足大部分外设的直接需求,但是如果要和 5V 或者以上电平的外设通信,那就必须要加电平转换电路。
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 IO复用配置
使用LuatIO工具配置代码例程中所用的的IO复用管脚配置,如下图所示:
保存为pins_Air780EGH.json, 注意配置文件中"model"对应键值"Air780EGH" 。
6.2 读取 SHT20 温湿度传感器
6.2.1 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。
下面demo分别通过硬件I2C和软件I2C的方式完成获取SHT20传感器的数据:
-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "I2C_SHT20_TEST"
VERSION = "001.000.000"
--添加硬狗防止程序卡死
if wdt then
wdt.init(9000)--初始化watchdog设置为9s
sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end
--IO电平设置为3.3v
pm.ioVol(pm.IOVOL_ALL_GPIO, 3300)
-- 以下测试模块,测试时一次加载一个测试模块
-- 硬件I2C测试模块
require "hw_i2c_sht20_test"
-- 软件I2C测试模块
--require "soft_i2c_sht20_test"
-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!
6.2.2 硬件I2C的demo 介绍
初始化硬件 i2c
-- 使用硬件I2C通道 1
local i2c_hwid = 1
--初始化硬件I2C
local ret = i2c.setup(i2c_hwid)
log.info("i2c".. i2c_hwid, "hw 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。
--发送0xF3来查询温度
i2c.send(i2c_hwid, addr, string.char(0xF3))
sys.wait(100)
--读取传感器的温度值
tmp = i2c.recv(i2c_hwid, addr, 2)
log.info("SHT20", "read tem data", tmp:toHex())
--发送0xF5来查询湿度
i2c.send(i2c_hwid, addr, string.char(0xF5))
sys.wait(100)
--读取传感器湿度值
hum = i2c.recv(i2c_hwid, addr, 2)
log.info("SHT20", "read hum data", hum:toHex())
--提取一个按照大端字节序编码的16位无符号整数
local _,tval = pack.unpack(tmp,'>H')
local _,hval = pack.unpack(hum,'>H')
--log.info("SHT20", "tval hval", tval,hval)
if tval and hval then
--按照传感器手册来计算对应的温湿度
temp = (((17572 * tval) >> 16) - 4685)/100
hump = (((12500 * hval) >> 16) - 600)/100
log.info("SHT20", "temp,humi",string.format("%.2f",temp),string.format("%.2f",hump))
end
6.2.3 软件I2C的demo 介绍
指定scl和sda的GPIO,初始化软件I2C
-- 定义软件I2C-SCL
local io_scl = 16
-- 定义软件I2C-SDA
local io_sda = 17
--初始化软件I2C, 返回参数为软件I2C的实例,后续通过该实例来操作i2c的读写操作
local softI2C = i2c.createSoft(io_scl,io_sda)
log.info("i2c", "sw i2c initial", softI2C)
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。
--发送0xF3来查询温度
i2c.send(softI2C, addr, string.char(0xF3))
sys.wait(100)
--读取传感器的温度值
tmp = i2c.recv(softI2C, addr, 2)
log.info("SHT20", "read tem data", tmp:toHex())
--发送0xF5来查询湿度
i2c.send(softI2C, addr, string.char(0xF5))
sys.wait(100)
--读取传感器湿度值
hum = i2c.recv(softI2C, addr, 2)
log.info("SHT20", "read hum data", hum:toHex())
--提取一个按照大端字节序编码的16位无符号整数
local _,tval = pack.unpack(tmp,'>H')
local _,hval = pack.unpack(hum,'>H')
--log.info("SHT20", "tval hval", tval,hval)
if tval and hval then
--按照传感器手册来计算对应的温湿度
temp = (((17572 * tval) >> 16) - 4685)/100
hump = (((12500 * hval) >> 16) - 600)/100
log.info("SHT20", "temp,humi",string.format("%.2f",temp),string.format("%.2f",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。
硬件I2C 测试结果:
软件I2C 测试结果:
八、总结
本例程分别使用硬件i2c和软件i2c的接口读取了 sht20 传感器传输的温湿度数值。
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
4、I2C0 怎么使用?
I2C0和UART3,SPI1 复用,详见下图:
I2C0 使用:
1) 通过luatIO工具配置使能I2C0的pin脚,如图所示:
2) Lua代码修改
i2c.setup(0)