张高兴的 .NET 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1：I2C 设备

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 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);
}

I2cDevice

I2cDevice 是一个抽象类，通过单例模式创建具体的对象。具体实现是通过两个内部类 UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice ，分别代表 Unix 和 Windows10 下的 I2C 控制器。

public abstract partial class I2cDevice : IDisposable
{
    // 创建 I2cDevice 对象
    public static I2cDevice Create(I2cConnectionSettings settings);

    // 从从设备中读取一段数据，数据长度由 Span 的长度决定
    public abstract void Read(Span<byte> buffer);
    // 从从设备中读取一个字节的数据
    public abstract 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 abstract 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 abstract void WriteByte(byte data);

    // 向从设备中写入一段数据，然后从该设备中读取一段数据
    // 该方法多用于 SMBus 协议
    public abstract void WriteRead(ReadOnlySpan<byte> writeBuffer, Span<byte> readBuffer);
}

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：

   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。

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

• SDA - SDA (Pin 3)
• SCL - SCL (Pin 5)
• 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。

使用 Docker 运行示例

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">I2C Device</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);
       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);
           }
       }
   }
   

5. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

供参考

1. I2C - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/I²C
2. I2C source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/I2c
3. I2C总线 - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/I2C总线/918424
4. SMBus - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/SMBus/1190006