张高兴的 .NET Core IoT 入门指南：（三）使用 I2C 进行通信

什么是 i²c 总线

i²c 总线（inter-integrated circuit bus）是设备与设备间通信方式的一种。它是一种串行通信总线，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。i²c 总线包含两根信号线，一根为信号线 sda ，另一根为时钟线 scl 。总线上可以挂载多个设备，以 7 位 i²c 地址为例，总线上最多可以挂载 2⁷ - 1 个设备，即 127 个，地址 0x00 不用（类似于网络中的广播地址）。i²c 还包括一个子集叫 smbus （system management bus），是 1995 年由 intel 提出的^[2]。为什么说是子集，是因为 smbus 是 i²c 的简化版，电气特性和传输速率等方面上略有不同。下图展示了一个 i²c 主设备和三个 i²c 从设备的示意图，总线上只能有一个主设备，而通常情况下你的主机（如 raspberry pi，arduino）就是主设备，传感器为从设备。

图源：wikipedia

  注意

system.device.gpio 目前并不支持 i²c repeated，i2cdevice 类尚未提供 writeread() 方法，部分设备可能无法正常通信。

issue：i2c api should support restart/repeat condition #129

i²c 总线也并不是那么完美。因为 i²c 只有两根信号线，与 spi 的四根信号线相比，传输速率上并不占优，而且数据在同一时间内只能向一个方向传输。但反过来看，i²c 总线的最大优点是只需要占用两个 io 接口，在单片机等 io 接口数量较少的设备上也算是一种优势吧。

在 raspberry pi 的引脚中，引出了一组 i²c 接口，其内部总线 id 为 1，引脚中的 gpio 2 为 sda，gpio 3 为 scl（如下图所示）。至于 i²c-0，它用于 raspberry pi 内部的 gpio 扩展器、相机、显示器等其他设备。raspberry pi 的 i²c 引脚中内置了一个 1.8 kω 的上拉电阻，这意味着在一般情况下使用 i²c 总线时不必再连接一个额外的上拉电阻。

raspberry pi b+/2b/3b/3b+/zero 引脚图

相关类

i²c 操作的相关类位于 system.device.i2c 和 system.device.i2c.drivers 命名空间下。

i2cconnectionsettings

i2cconnectionsettings 类位于 system.device.i2c 命名空间下，表示 i²c 设备的连接设置。

public sealed class i2cconnectionsettings
{
    // 构造函数
    // busid 是 i2c 总线的内部 id，在 raspberry pi 上只能填 1
    // deviceaddress 是要连接设备的 i2c 地址
    public i2cconnectionsettings(int busid, int deviceaddress);
}

unixi2cdevice 和 windows10i2cdevice

unixi2cdevice 和 windows10i2cdevice 类位于 system.device.i2c.drivers 命名空间下。两个类均派生自抽象类 i2cdevice，分别代表 unix 和 windows10 下的 i2c 控制器，使用时按照所处的平台有选择的进行实例化。这里以 unixi2cdevice 类为例说明。

public class unixi2cdevice : i2cdevice
{
    // 构造函数
    // 需要传入一个 i2cconnectionsettings 对象
    public unixi2cdevice(i2cconnectionsettings settings);

    // 方法
    // 从从设备中读取一段数据，数据长度由 span 的长度决定
    public override void read(span<byte> buffer);
    // 从从设备中读取一个字节的数据
    public override byte readbyte();

    // 向从设备中写入一段数据，通常 span 中的第一个数据为要写入数据的寄存器的地址
    public override void write(readonlyspan<byte> data);
    // 向从设备中写入一个字节的数据，通常这个字节为寄存器的地址
    public override void writebyte(byte data);
}

i²c 总线的通信步骤

在开始实验之前，首先说明一下 i²c 总线的读取和写入的步骤。因为 .net 帮我们封装好了一些操作方法，这大大简化了 i²c 的操作难度，即使你没有丰富的硬件知识也可以顺利的操作硬件，所以我们不必像开发单片机一样去研究设备之间通信的时序图（当然，如果通信出现错误的话还是需要用时序图帮助判断）。

读取

1. 向从设备写入要读取的寄存器的地址

   这类似于数组的指针，需要先定位到相应的位置才能读取。通常地址是一位的，只需要调用 writebyte() 方法即可，但也有特殊情况，比如两个字节的地址或者命令+地址时，就需要调用 write() 方法。

2. 读取从设备中的数据

   定位完成后就可以向从设备请求数据了。如果要读取一个字节的数据，那么就调用 readbyte() 方法，如果要读取多个字节，首先需要实例化一个 byte 数组，通过调用 read() 方法来读取多个数据，读取的数据取决于数组的长度。比如要读取 8 个字节的数据，代码如下：
   c# span<byte> readbuffer = stackalloc byte[8]; sensor.read(readbuffer);

写入

写入一般用于配置从设备的寄存器。因为你不可能只向从设备写入寄存器的地址吧，所以通常会调用 write() 方法。比如向地址为 0x01 的寄存器写入一个字节的数据，代码如下：

span<byte> writebuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xff }; 
sensor.write(writebuffer);

温湿度传感器读取实验

本实验选用的传感器为奥松的 dht12。主要考虑到这个传感器读取非常简单，不用配置，价格便宜，很适合用来练手。数据手册地址： 。

  提示

数据手册（datasheet）是电子元件的使用说明书，包括介绍、电气特性、通信协议、性能等方面的内容。拿到数据手册时我们应该关注什么？

1. 关注该元件的通信协议。有些设备支持多种通信协议，如本实验用到的 dht12 不仅支持 i2c，还支持 1-wire 协议。选择合适的通信协议进行编程。

2. 关注打算使用的通信协议的细节。比如 i2c 总线，你需要关注元件的地址、各个寄存器的地址、最大传输速率等等。

3. 关注该元件的通信的细节。有些设备的通信很简单，并不需要拐弯抹角，但还有一些设备需要发送一些额外的命令。比如你在发送完寄存器地址后还需要紧接着发送一段命令，用于决定是读还是写该寄存器，返回数据时是按字节（byte）返回还是按字（word）返回等。

4. 关注各个寄存器的作用和配置。数据手册中基本上都会把每个寄存器逐条列出，注意细节即可。

传感器图像

硬件需求

名称	数量
dht12	x1
4.7 kω 电阻	x2
杜邦线	若干

电路

• scl - scl
• sda - sda
• vcc - 5v
• gnd - gnd

如果你的 dht12 是裸板的话需要像电路图中一样给 sda 和 scl 加上上拉电阻。

代码

1. 打开 visual studio ，新建一个 .net core 控制台应用程序，项目名称为“dht12”。
2. 引入 system.device.gpio nuget 包。

3. 新建类 dht12，替换如下代码：

   public class dht12 : idisposable
   {
       /// <summary>
       /// dht12 默认 i2c 地址
       /// </summary>
       public const byte defaulti2caddress = 0x5c;    // 若数据手册中给的是8位的i2c地址要记得右移1位
   
       private i2cdevice _sensor;
   
       private double _temperature;
       /// <summary>
       /// dht12 温度
       /// </summary>
       public double temperature
       {
           get
           {
               readdata();
               return _temperature;
           }
       }
   
       private double _humidity;
       /// <summary>
       /// dht12 湿度
       /// </summary>
       public double humidity
       {
           get
           {
               readdata();
               return _humidity;
           }
       }
   
       /// <summary>
       /// 实例化一个 dht12 对象
       /// </summary>
       /// <param name="sensor">i2cdevice，如 unixi2cdevice 和 windows10i2cdevice</param>
       public dht12(i2cdevice sensor)
       {
           _sensor = sensor;
       }
   
       private void readdata()
       {
           span<byte> readbuff = stackalloc byte[5]; 
   
           // 数据手册第三页提供了寄存器地址表
   
           // dht12 湿度寄存器地址
           _sensor.writebyte(0x00);
           // 连续读取数据
           // 湿度整数位，湿度小数位，温度整数位，温度小数位，校验和
           _sensor.read(readbuff);
   
           // 校验数据，校验方法见数据手册第五页
           // 校验位=湿度高位+湿度低位+温度高位+温度低位
           if ((readbuff[4] == ((readbuff[0] + readbuff[1] + readbuff[2] + readbuff[3]) & 0xff)))
           {
               // 温度小数位的范围在0-9，所以与上0x7f即可
               double temp = readbuff[2] + (readbuff[3] & 0x7f) * 0.1;
               // 温度小数位第8个bit为1则表示采样得出的温度为负温
               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，将主函数代码替换如下：

   static void main(string[] args)
   {
       i2cconnectionsettings settings = new i2cconnectionsettings(1, dht12.defaulti2caddress);
       unixi2cdevice device = new unixi2cdevice(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. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

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  备注

下一篇文章将谈谈 spi 的使用。