老宇哥帶你玩轉(zhuǎn) ESP32：07 I2C協(xié)議，看這一篇就夠了

今天我們來玩兒I2C。

I2C全稱是Inter-Integrated Circuit，是飛利浦半導(dǎo)體公司（06年遷移到NXP了）在1982年發(fā)明的，是使用非常廣泛的一種通信協(xié)議，很多傳感器、存儲(chǔ)芯片、OLED等，都是在使用I2C。標(biāo)準(zhǔn)輸出模式下能達(dá)到100kbps的傳輸速率，快速模式下能達(dá)到400kbps的傳輸速率，高速模式下能達(dá)到3.4Mbps，超高速下最快能達(dá)到5Mbps。

與UART一樣，IIC僅用兩條線在設(shè)備間通信：

SCL -- 時(shí)鐘信號(hào)

SDA -- 數(shù)據(jù)信號(hào)

I2C主機(jī)與從機(jī)之間共享時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘始終由主機(jī)控制，總線下面可以掛多個(gè)設(shè)備，是一種同步，多主，多從，半雙工的通信協(xié)議，下面我們簡單介紹一下通信原理：

默認(rèn)情況下，兩條線都被上拉，SCL=1，SDA=1。

啟動(dòng)與停止信號(hào)：

通信開始，要先發(fā)開啟動(dòng)信號(hào)，結(jié)束的時(shí)候，要發(fā)送結(jié)束信號(hào)。

開始信號(hào)由主設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)，具體為在SCL高電平期間，SDA從高電平切換到低電平；

停止信號(hào)由主設(shè)備發(fā)出結(jié)束，具體為在SCL高電平期間，SDA從低電平切換到高電平；

當(dāng)然，在傳輸過程中，有時(shí)候需要更改數(shù)據(jù)方向，重新傳輸?shù)?，我們沒必要發(fā)停止信號(hào)，直接重新發(fā)啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)即可。

地址字節(jié)

我們的總線上可能掛很多從設(shè)備，在我們主設(shè)備發(fā)送了啟動(dòng)信號(hào)之后，總線上的從設(shè)備就都被“喚醒”了，等著主設(shè)備發(fā)送地址寵幸。所以這里有一個(gè)從機(jī)地址的概念，從機(jī)地址以8位字節(jié)發(fā)送的，MSB在前，最后一位表示接下來讀或?qū)?，所?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; color: rgb(239, 112, 96); --tt-darkmode-color: #EF7060;">高7位構(gòu)成了從機(jī)地址，也可以看出，同一個(gè)總線上，可以尋址128個(gè)從設(shè)備。

一旦從設(shè)備的地址匹配，就繼續(xù)讀取最后一位，低電平代表寫入，高電平代表讀取。其它從設(shè)備就忽略后面的數(shù)據(jù)。

ACK與NACK

在每個(gè)字節(jié)傳輸之后，接收設(shè)備發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，確認(rèn)或者不確認(rèn)，接收設(shè)備通過在SCL高電平期間，將SDA拉低生成一個(gè)確認(rèn)信號(hào)ACK，拉高生成一個(gè)不確認(rèn)信號(hào)NACK，這里ACK主要用于表示字節(jié)正確傳輸了，NACK表示數(shù)據(jù)傳輸有錯(cuò)誤，需要從新發(fā)送。應(yīng)答信號(hào)主設(shè)備，從設(shè)備都可以產(chǎn)生，比如，主設(shè)備從從設(shè)備讀取最后一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，就要發(fā)送NACK結(jié)束傳輸。

數(shù)據(jù)信號(hào)

數(shù)據(jù)以8位字節(jié)格式傳輸，高字節(jié)在前，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒有限制，但是每個(gè)字節(jié)后面必須要有一個(gè)數(shù)據(jù)接收方產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)。傳輸過程中，SCL為低的時(shí)候，SDA數(shù)據(jù)可以改變，SCL為高的時(shí)候，SDA的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定。

命令字節(jié)

當(dāng)寫入或讀取從設(shè)備中特定寄存器時(shí)，主機(jī)首先要向已尋址的從機(jī)寫入寄存器地址，其實(shí)也是一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，我們這里稱之為命令字節(jié)。

寫入設(shè)備

主設(shè)備在發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)之后，緊著著發(fā)送要操作從設(shè)備的地址，最后一位為低電平表示接下來寫入數(shù)據(jù)，然后在時(shí)鐘信號(hào)下一位一位的寫入數(shù)據(jù)，在從設(shè)備發(fā)出ACK應(yīng)答之后，發(fā)送結(jié)束信號(hào)結(jié)束通信。

讀取數(shù)據(jù)

主設(shè)備在發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)之后，緊著著發(fā)送要操作從設(shè)備的地址，最后一位為高電平表示接下來讀取數(shù)據(jù)，然后接管SDA數(shù)據(jù)線并在時(shí)鐘的控制下向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，主設(shè)備同樣要在每個(gè)字節(jié)接收完畢的時(shí)候發(fā)送ACK響應(yīng)，當(dāng)主設(shè)備不想接收的時(shí)候，就在最后一個(gè)字節(jié)接收后發(fā)送NACK響應(yīng)，然后恢復(fù)對(duì)總線的控制并發(fā)送結(jié)束信號(hào)。

SCL的控制權(quán)始終在主機(jī)這里。

當(dāng)然，實(shí)際還要很多組合傳輸協(xié)議，這里由于篇幅問題就不展開說了，基本上大同小異，我們根據(jù)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊(cè)來傳輸就可以啦。I2C還有很多特性，快速命令，仲裁，多主控等等，普通的應(yīng)用接觸不到，感興趣的小伙伴自行研究下。

ESP32有2個(gè)硬件I2C總線接口，接口可以配置為主機(jī)或從機(jī)模式，支持如下特性：

• 標(biāo)準(zhǔn)模式 (100 Kbit/s)

• 快速模式 (400 Kbit/s)

• 高達(dá) 5 MHz，但受 SDA 上拉強(qiáng)度的限制

• 7位/10位尋址模式

• 雙尋址模式，用戶可以通過編程命令寄存器來控制 I2C 接口，讓他們有更大的靈活性

SDA與SCL是低電平有效的，所以我們應(yīng)該在兩根數(shù)據(jù)線上用電阻上拉，IO內(nèi)部也是開漏輸出的，一般5V系統(tǒng)接4.7K上拉，3.3V系統(tǒng)接2.4K上拉即可。ESP32上，SDA默認(rèn)連接GPIO21，SCL默認(rèn)連接GPIO22，當(dāng)然，我們可以在代碼中配置到任何引腳。

啟動(dòng)I2C

啟動(dòng)Wire庫并作為主機(jī)或者從機(jī)加入總線，這個(gè)函數(shù)調(diào)用一次即可，參數(shù)為7位從機(jī)地址，不帶參數(shù)就以主機(jī)的形式加入總線。

Wire.begin();Wire.begin(address)

主設(shè)備從從設(shè)備請(qǐng)求字節(jié)

由主設(shè)備向從設(shè)備請(qǐng)求字節(jié)，之后用available()和read()函數(shù)讀取字節(jié)，第三個(gè)參數(shù)位為stop，在請(qǐng)求后會(huì)發(fā)送停止消息，釋放I2C總線，否則總線就不會(huì)被釋放。

Wire.requestFrom(address, quantity);Wire.requestFrom(address, quantity, stop);

給指定地址的從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)

給指定地址的從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，之后調(diào)用write()函數(shù)排隊(duì)傳輸字節(jié)，要通過endTransmission()結(jié)束傳輸。

Wire.beginTransmission(address)

endTransmission()有以下幾個(gè)返回結(jié)果：

• 0：成功

• 1：數(shù)據(jù)太長，無法放入發(fā)送緩沖區(qū)

• 2：在發(fā)送地址時(shí)收到 NACK

• 3：在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)收到 NACK

• 4：其他錯(cuò)誤

寫數(shù)據(jù)

向從設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，在調(diào)用 beginTransmission() 和 endTransmission() 之間。

Wire.write(value)
Wire.write(string)
Wire.write(data, length)

舉個(gè)例子

#include <Wire.h>byte val = 0;void setup(){
  Wire.begin(); // join i2c bus}void loop(){
  Wire.beginTransmission(44); // transmit to device #44 (0x2c)
                              // device address is specified in datasheet
  Wire.write(val);             // sends value byte  
  Wire.endTransmission();     // stop transmitting

  val++;        // increment value
  if(val == 64) // if reached 64th position (max)
  {
    val = 0;    // start over from lowest value
  }
  delay(500);
}

讀數(shù)據(jù)

調(diào)用requestFrom()后從從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

Wire.read()

舉個(gè)例子

#include <Wire.h>void setup(){
  Wire.begin();        // join i2c bus (address optional for master)
  Serial.begin(9600);  // start serial for output}void loop(){
  Wire.requestFrom(2, 6);    // request 6 bytes from slave device #2

  while(Wire.available())    // slave may send less than requested
  {    char c = Wire.read();    // receive a byte as character
    Serial.print(c);         // print the character
  }

  delay(500);
}

還有其它一些函數(shù)，例如修改時(shí)鐘頻率等等，大家用到的時(shí)候自行了解一下。

完整程序

這里我們用一個(gè)例子來演示一下，I2C啟動(dòng)之后，我們開始掃描總線上存在的設(shè)備，并通過串口打印結(jié)果出來，我在I2C下面接了一個(gè)OLED的設(shè)備。

#include "Wire.h"void setup(){
  Serial.begin(115200); 
  Serial.println();
  Serial.println("Scanning for I2C Devices ...");
  Serial.print("\r\n");  int I2CDevices = 0;  byte address;

  Wire.begin();  
  for (address = 1; address < 127; address++)
  {
    Wire.beginTransmission(address);    if (Wire.endTransmission() == 0)
    {
      Serial.print("Found I2C Device: ");
      Serial.print(" (0x");      if (address < 16)
      {
        Serial.print("0");
      }
      Serial.print(address, HEX);
      Serial.println(")");
      I2CDevices++;
    }
  }  if (I2CDevices == 0)
  {
    Serial.println("沒有發(fā)現(xiàn)I2C設(shè)備!\n");
  }  else
  {   
    Serial.print("發(fā)現(xiàn)了");
    Serial.print(I2CDevices);
    Serial.println("個(gè)I2C設(shè)備!\n");  
  }  
}

void loop(){
}

Wire.endTransmission()返回0，代表這個(gè)地址通信成功，我們就認(rèn)為總線上存在這個(gè)地址的設(shè)備。

I2C OLED

I2C只是個(gè)通信協(xié)議，具體的還是要結(jié)合實(shí)物來演示，比如一些傳感器或者屏幕，這里我們用I2C協(xié)議的0.96寸OLED屏幕來演示下：

OLED使用SSD1306控制芯片，所以我們需要下載一個(gè)庫SSD1306，另外還需要配合圖形庫GFX操作，代碼中，我們先包含對(duì)應(yīng)頭文件，然后創(chuàng)建一個(gè)Adafruit_SSD1306對(duì)象，第三個(gè)參數(shù)是用的I2C對(duì)象。

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

初始化時(shí)候用display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)初始化顯示對(duì)象，傳入地址，然后就可以自由簡單的顯示我們想要顯示的數(shù)據(jù)了。

關(guān)于Adafruit_GFX庫，非常強(qiáng)大的一個(gè)圖形庫，我們后面單獨(dú)講解具體的原理，這里先了解一下即可。

完整程序

#include <Wire.h>#include <Adafruit_GFX.h>#include <Adafruit_SSD1306.h>#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixelsAdafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);void setup() {
  Serial.begin(115200);  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));    for(;;);
  }  
  delay(1000);
  display.display();
  
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0,0);
  display.print("CHIPHOME");
  display.display();
  display.setCursor(0,8);
  display.print("12345678");
  display.display();
  delay(1000);
}void loop() {

}

SSD1306示例代碼演示：