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

時間 2019-11-07

標籤高興 core iot 入門指南使用 i2c 進行通訊欄目 C&C++ 简体版

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什麼是 I²C 總線

I²C 總線（Inter-Integrated Circuit Bus）是設備與設備間通訊方式的一種。它是一種串行通訊總線，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鏈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 ，另外一根爲時鐘線 SCL 。總線上能夠掛載多個設備，以 7 位 I²C 地址爲例，總線上最多能夠掛載 2⁷ - 1 個設備，即 127 個，地址 0x00 不用（相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]。爲何說是子集，是由於 SMBus 是 I²C 的簡化版，電氣特性和傳輸速率等方面上略有不一樣。下圖展現了一個 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，而一般狀況下你的主機（如 Raspberry Pi，Arduino）就是主設備，傳感器爲從設備。css

圖1：I2C 設備html

I²C 總線也並非那麼完美。由於 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，並且數據在同一時間內只能向一個方向傳輸。但反過來看，I²C 總線的最大優勢是隻須要佔用兩個 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點吧。git

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（以下圖所示）。至於 I²C-0，它用於 Raspberry Pi 內部的 GPIO 擴展器、相機、顯示器等其餘設備。Raspberry Pi 的 I²C 引腳中內置了一個 1.8 kΩ 的上拉電阻，這意味着在通常狀況下使用 I²C 總線時沒必要再鏈接一個額外的上拉電阻。github

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖docker

I²C 總線的通訊步驟

在開始實驗以前，首先說明一下 I²C 總線的讀取和寫入的步驟。由於 .NET 幫咱們封裝好了一些操做方法，這大大簡化了 I²C 的操做難度，即便你沒有豐富的硬件知識也能夠順利的操做硬件，因此咱們沒必要像開發單片機同樣去研究設備之間通訊的時序圖（固然，若是通訊出現錯誤的話仍是須要用時序圖幫助判斷）。網絡

讀取

向從設備寫入要讀取的寄存器的地址svg

這相似於數組的指針，須要先定位到相應的位置才能讀取。一般地址是一位的，只須要調用 WriteByte() 方法便可，但也有特殊狀況，好比兩個字節的地址或者命令+地址時，就須要調用 Write() 方法。
讀取從設備中的數據

定位完成後就能夠向從設備請求數據了。若是要讀取一個字節的數據，那麼就調用 ReadByte() 方法，若是要讀取多個字節，首先須要實例化一個 byte 數組，經過調用 Read() 方法來讀取多個數據，讀取的數據取決於數組的長度。好比要讀取 8 個字節的數據，代碼以下：
C# Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; sensor.Read(readBuffer);

寫入

寫入通常用於配置從設備的寄存器。由於你不可能只向從設備寫入寄存器的地址吧，因此一般會調用 Write() 方法。好比向地址爲 0x01 的寄存器寫入一個字節的數據，代碼以下：

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很是簡單，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、通訊協議、性能等方面的內容。拿到數據手冊時咱們應該關注什麼？

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

2. 關注打算使用的通訊協議的細節。好比 I2C 總線，你須要關注元件的地址、各個寄存器的地址、最大傳輸速率等等。

3. 關注該元件的通訊的細節。有些設備的通訊很簡單，並不須要拐彎抹角，但還有一些設備須要發送一些額外的命令。好比你在發送完寄存器地址後還須要緊接着發送一段命令，用於決定是讀仍是寫該寄存器，返回數據時是按字節（byte）返回仍是按字（word）返回等。

4. 關注各個寄存器的做用和配置。數據手冊中基本上都會把每一個寄存器逐條列出。

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

若是你的 DHT12 是裸板的話須要像電路圖中同樣給 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

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲「Dht12」。
引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

新建類 Dht12，替換以下代碼：

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">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 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，因此與上0x7F便可
            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;
        }
    }
}

在 Program.cs 中，將主函數代碼替換以下：

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);
        }
    }
}