【五一创作】Linux---I2C应用编程

news2024/10/6 10:32:57

 目录简述

前言：

一、I2C协议

（1）概述

（2）I2C硬件框架：

（3）I2C软件框架

（4）I2C数据格式

二、SMBus协议

三、I2C系统重要的结构体

四、访问I2C设备（AP3216C）

（1）使用SMBus协议：  ​​​​

 （2）使用I2C协议：

 （3）I2C-Tools源码分析：

五、编写APP访问EEPROM(AT24C02)

（1）AT24C02访问方法

1.设备地址

2.写数据

3.读数据

（2）使用I2C-Tools编程

1.具体示例：（SMBus）

2.编译、实际效果

前言：

经典环节：我一直深信，带着问题思考和实践，能够更容易理解并学习到。

（1）I2C协议

  • I2C是什么？有什么特点？
  • I2C传输数据流程具体是什么样的？
  • 具体I2C是如何产生开始信号（S）、结束信号（P）、响应信号（ACK）以及发送数据呢？
  • I2C是双向传输的，那么是如何实现在SDA上双向传输呢？

（2）SMBus协议

  • SMBus协议是什么？
  • 它相较于I2C有什么异同？

（3）Linux里I2C实现

  • 在Linux里，是如何表示I2C控制器、I2C设备以及要传输的数据？

（4）I2C应用编程实战

  • AP3216C
  • EEPROM-AT24C02

接下来的文章内容，将详细的解答上面的问题。如果有所帮助，三连关注( ^_^ )，多多支持一下，大家一同进步呀！

一、I2C协议

（1）概述

I2C是什么？它有什么特点？

在消费电子，工业电子等领域，会使用各种类型的芯片，如微控制器，电源管理，显示驱动，传感器，存储器，转换器等，他们有着不同的功能，有时需要快速的进行数据的交互，为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通，于是I2C诞生了，I2C(Inter－Integrated Circuit)是一种通用的总线协议。它是由Philips(飞利浦)公司，现NXP(恩智浦)半导体开发的一种简单的双向两线制总线协议标准。

对于硬件设计人员来说，只需要2个管脚，极少的连接线和面积，就可以实现芯片间的通讯，对于软件开发者来说，可以使用同一个I2C驱动库，来实现实现不同器件的驱动，大大减少了软件的开发时间。极低的工作电流，降低了系统的功耗，完善的应答机制大大增强通讯的可靠性。

特点如下：

  • I2C是半双工
  • I2C支持多主多从模式
  • 从GPIO占用上来看，I2C占用两个GPIO
  • I2C有应答响应机制，数据可靠性更高
  • I2C速率不会太高，最高速率3.4Mbps
  • I2C通过器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致GPIO的增加
  • I2C在SCL高电平器件进行数据采样。
  • 大多应用于板内器件短距离通讯。

（2）I2C硬件框架：

  • 在一个芯片（Soc）内部，有一个或多个I2C控制器。
  • 在一个I2C控制器上，可以连接一个或多个I2C设备。---一定要知道地址的
  • I2C总线只需要两条线：时钟线SCL、数据线SDA。
  • 在I2C总线的SCL、SDA线上，都有上拉电阻。

（3）I2C软件框架

在Linux上，APP访问I2C设备是要经由I2C Device Driver解析数据和I2C Controller Driver收发数据。

以 I2C 接口的存储设备 AT24C02 为例：

  • APP：
    • 提出要求：把字符串"hello world！"写入 AT24C02 地址16开始的地方
    • 不关心底层实现的细节，它只需要调用设备驱动程序提供的接口
  • AT24C02 驱动：
    • 它知道 AT24C02 要求的地址、数据格式
    • 它知道发出什么信号才能让 AT24C02 执行擦除、烧写工作
    • 它知道怎么判断数据是否烧写成功 它构造好一系列的数据，发给 I2C 控制器
  • I2C 控制器驱动
    • 它根据 I2C 协议发出各类信号：I2C 设备地址、I2C 存储地址、数据
    • 它根据 I2C 协议判断

（4）I2C数据格式

I2C传输数据流程具体是什么样的？

以写操作为例： 

  • 主芯片要发出一个start信号
  • 然后发出一个设备地址（用来确定这个设备是否存在），然后就可以传输数据
  • 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
  • 每传输一字节数据，接收方要由一个回应信号（确定数据是否接受完成），然后再传输下一个数据
  • 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

具体I2C是如何产生开始信号（S）、结束信号（P）、响应信号（ACK）以及发送数据呢？

如下图所示：

  • 开始信号：SDA有高到低，SCL保持高电平时，产生开始信号（S）
  • 结束信号：SCL保持高电平，SDA从低到高，产生结束信号（P）
  • 响应信号：接收器收到8位数据后，在第9个时钟周期会去拉低SDA，产生响应信号（ACK）

具体的数据传输两个核心要点，如下图所示：

  • 当SCL高电平时，SDA数据要保持稳定。
  • 当SCL低电平时，SDA可以发生变化（SDA高电平（1），低电平（0））。
  • 这时在SCL高电平时，查询SDA上电平，获取数据。

从上面我们可以看到，I2C是双向传输的，那么如何实现在SDA上双向传输呢？

  1. 由上面的情况，是有两个驱动（主设备和从设备），如果是直接接上的话，假设出故障的话，一个输出高电平，一个输出低电平，是会发生电路短路的。
  2. 双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响SDA上的数据？

这里采用了一个三极管或者CMOS管，来调控和预防这个问题。示例如下：

上面电路对应的真值表如下：

 从真值表和电路可以知道:

  • 当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动三极管
  • 想让SDA输出高电平，双方都不驱动三极管
  • 想让SDA输出低电平，就驱动三极管

这样的情况下，实现数据传输，就可以是这样：

  • 前8个clk，从设备不驱动三极管，主设备决定数据；发送1时不驱动，发送0时驱动三极管。
  • 第9个clk，主设备不驱动三极管，从设备决定数据；回应信号，驱动三极管让SDA变为0。

 注：为什么要用上拉电阻？

在第 9 个时钟之后，如果有某一方需要更多的时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把SCL拉低。

二、SMBus协议

SMBus：System Management Bus，系统管理总线。

SMBus是基于I2C协议的，它要求更严格，是I2C协议的子集。它被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM通讯设备等等。

SMBus有哪些更严格的要求？跟一般的I2C协议有哪些差别？

  • VDD 的极限值不一样

    • I2C 协议：范围很广，甚至讨论了高达12V的情况

    • SMBus：1.8V~5V

  • 最小时钟频率、最大的 Clock Stretching（某个设备需要更多时间进行内部处理时，它可以把SCL拉低占住I2C总线）

    • I2C：时钟频率最小值无限制，Clock Stretching 时长也没有限制

    • SMBus：时钟频率最小值是 10KHz，Clock Stretching 的最大时间值也有限制

  • 地址回应(Address Acknowledge)：一个 I2C 设备接收到它的设备地址后，是否必须发出回应信号？

    • I2C 协议：没有强制要求必须发出回应信号

    • SMBus：强制要求必须发出回应信号，这样对方才知道该设备的状态： busy，failed，或是被移除了

  • SMBus 协议明确了数据的传输格式

    • I2C 协议：它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义

    • SMBus：定义了几种数据格式

  • REPEATED START Condition(重复发出S信号)---SMBus

    • 在写、读之间，可以不发出 P 信号，而是直接发出 S 信号：这个 S 信号就是REPEATED START。

SMBus协议分析，它的具体内容：

SMBus symbols（符号）： 

它在I2C协议基础上加入了command code（命令字节、一般表示芯片内部的寄存器地址）、byte count（数据长度）、data byte（数据字节，支持8位、16位）以及PEC校验码机制。 

以 SMBus Block Read（较为复杂）为例：

  • I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_block_data()。

  • 先发出command code（理解分析：Address为从设备地址，command code一般为芯片内部的寄存器地址）
  • 再发起读操作
    • 先读到一个字节（Block count），表示后续要读的字节数
    • 然后读取全部数据

了解更多的数据格式，参照以下的文章： 

Linux系统驱动之SMBus协议_i2c_smbus_read_byte_data_韦东山的博客-CSDN博客

注：在很多设备都实现了 SMBus，而不是更宽泛的 I2C 协议，所以优先使用SMBus。
即使 I2C 控制器没有实现 SMBus，软件方面也是可以使用 I2C 协议来模拟 SMBus。
所以: Linux 建议优先使用 SMBus。

三、I2C系统重要的结构体

由第一块内容I2C的硬件框架，I2C传输着重关注I2C controller、I2C device以及传输的数据。

如何表示I2C Controller？ 

  • 是第几个I2C Controller        
  • I2C Controller如何收发数据？

这里I2C Controller是用i2c_adapter来表示，具体对应的结构体如下： 

  • nr表示第几个I2C Controller
  • i2c_algorithm，里面有该 I2C BUS 的传输函数，用来收发 I2C 数据  

 如何表示I2C device？

  • 一定有设备地址
  • 它是挂载在哪个I2C Controller上    ---即对应的I2C_adapter是什么？

 这里I2C device用i2c_client来表示，具体对应的结构体如下：

  • addr：设备地址
  • adapter：对应上哪个I2C Controller

 如何表示要传输的数据？

 这里数据用i2c_msg 来表示：

  • i2c_msg 中的 flags 用来表示传输方向：bit 0 等于 I2C_M_RD 表示读，bit 0 等于 0 表示写

  • 举例：设备地址为 0x50 的 EEPROM，要读取它里面存储地址为 0x10 的一个字节，要构造 2 个 i2c_msg

    • 第一个 i2c_msg 表示写操作，把要访问的存储地址 0x10 发给设备
    • 第二个 i2c_msg 表示读操作

  • 着重关注，addr(地址)、flags(方向)、len(长度)、buf(数据)

四、访问I2C设备（AP3216C）

APP访问硬件是需要驱动程序，对于I2C设备，这里可以调用内核提供的驱动程序drivers/i2c/i2c-dev.c。通过它可以直接使用I2C Controller Driver里的adapter driver来访问I2C设备（AP3216C）。 

AP3216C 是红外、光强、距离三合一的传感器，以读出光强、距离值为例，步骤如下：

  • 复位：往寄存器 0 写入 0x4
  • 使能：往寄存器 0 写入 0x3
  • 读光强：读寄存器 0xC、0xD 得到 2 字节的光强
  • 读距离：读寄存器 0xE、0xF 得到 2 字节的距离值 

这里可以使用I2C-Tools来操作传感器AP3212C，有两种方式（SMBus以及I2C）访问设备：

（1）使用SMBus协议：  ​​​​

i2cset和i2cget函数用法，后面依次为：
命令（-f、-y）
I2CBUS（0）
设备地址
寄存器地址
数据data

 （2）使用I2C协议：

i2ctransfer函数用法，后面依次为：
命令（-f、-y）
I2CBUS（0）
描述符（读写w1/w2 + @设备地址 ）
寄存器地址
数据data

 （3）I2C-Tools源码分析：

结合上面的流程分析，具体流程步骤：

  • 打开/dev/i2c-0节点（open），会访问该 I2C 控制器下的设备。（注：i2c-dev.c 为每个 I2C 控制器(I2C Bus、I2C Adapter)都生成一个设备节点：/dev/i2c-0、/dev/i2c-1 等等；）
  • 指定I2C设备的地址（非强制：ioctl(file, I2C_SLAVE, address)，强制： ioctl(file, I2C_SLAVE_FORCE, address) ）
  • 之后采用相应的SMBus数据格式，使用ioctl(file, I2C_SMBUS, &args)函数传输数据。

五、编写APP访问EEPROM(AT24C02)

（1）AT24C02访问方法

1.设备地址

 由数据手册和硬件A2A1A0都接地可知，AT24C02的设备地址是0b1010000，即0x50。

2.写数据

这里的数据时序为：

  • 开始位 + 设备地址 + 写 + 相应位
  • 寄存器地址 + 数据 

3.读数据

可以读一个字节，也可以连续读出多个字节。连续多个字节时，芯片内部的地址会自动累加。当地址到达存储空间最后一个地址时，会从0开始。 如下图所示：

（2）使用I2C-Tools编程

1.具体示例：（SMBus）

#include <sys/ioctl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <i2c/smbus.h>
#include "i2cbusses.h"
#include <time.h>


/* ./at24c02 <i2c_bus_number> w "100ask.taobao.com"
 * ./at24c02 <i2c_bus_number> r
 */

int main(int argc, char **argv)
{
	unsigned char dev_addr = 0x50;
	unsigned char mem_addr = 0;
	unsigned char buf[32];

	int file;
	char filename[20];
	unsigned char *str;

	int ret;

	struct timespec req;
	
	if(argc != 3 && argc != 4)
	{
		printf("Usage:\n");
		printf("%Write EEprom: %s /dev/i2c-0|1|2 w str\n", argv[0]);
		printf("%Read  EEprom: %s /dev/i2c-0|1|2 r str\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	//第一步：打开节点
	file = open_i2c_dev(argv[1][0] - '0', filename, sizeof(filename), 0);
	if(file < 0)
	{
		printf("can't open %s\n", filename);
		return -1;
	}
	
	if(set_slave_addr(file, dev_addr, 1))
	{
		printf("can't set_slave_addr\n");
		return -1;
	}
	
	//第二步：I2C读写数据
	if(argv[2][0] == 'w')
	{
		//write
		str = argv[3];
        
        //这里添加一定的休眠时间，完成1字节数据传输后，EEPROM会进入一个写循环（需要时间）
		req.tv_sec  = 0;
		req.tv_nsec = 20000000; /* 20ms */

		while(*str)
		{
			//mem_addr, *str
			//mem_addr++, str++
			ret = i2c_smbus_write_byte_data(file, mem_addr, *str);
			if(ret)
			{
				printf("i2c_smbus_write_byte_data err\n");
				return -1;

			}
			//等待EEPROM写完数据
			nanosleep(&req, NULL);
			mem_addr++;
			str++;
		}
		ret = i2c_smbus_write_byte_data(file, mem_addr, 0); // string end char
		if (ret)
		{
			printf("i2c_smbus_write_byte_data err\n");
			return -1;
		}

	}
	else
	{
		//read
		ret = i2c_smbus_read_i2c_block_data(file, mem_addr, sizeof(buf), buf);
		if (ret < 0)
		{
			printf("i2c_smbus_read_i2c_block_data err\n");
			return -1;
		}
		
		buf[31] = '\0';
		printf("get data: %s\n", buf);
	}
}

2.编译、实际效果

a.设置交叉编译工具链

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin

b.编写Makefile：设置好工具链后，make就会执行程序

all:
$(CROSS_COMPILE)gcc -I ./include -o at24c02_test at24c02_test.c i2cbusses.c smbus.c

   这里有用到库文件： i2cbusses.c  i2cbusses.h smbus.c

c.上机测试

//nfs挂载
mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt

//复制、执行程序
cp /mnt/at24c02_test /bin
at24c02_test 0 w helloworld
at24c02_test 0 r

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