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[1]。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：https://wenku.baidu.com/view/325b7096eff9aef8941e06f9.html 。

  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

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

  备注

下一篇文章将谈谈 SPI 的使用。