【正点原子Linux连载】第二十六章 I2C实验 -摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.0

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第二十六章 I2C实验

I2C是最常用的通信接口，众多的传感器都会提供I2C接口来和主控相连，比如陀螺仪、加速度计、触摸屏等等。所以I2C是做嵌入式开发必须掌握的，I.MX6U有4个I2C接口，可以通过这4个I2C接口来连接一些I2C外设。I.MX6U-ALPHA使用I2C1接口连接了一个距离传感器AP3216C，本章我们就来学习如何使用I.MX6U的I2C接口来驱动AP3216C，读取AP3216C的传感器数据。

26.1 I2C & AP3216C简介 26.1.1 I2C简介 I2C是很常见的一种总线协议，I2C是NXP公司设计的，I2C使用两条线在主控制器和从机之间进行数据通信。一条是SCL(串行时钟线)，另外一条是SDA(串行数据线)，这两条数据线需要接上拉电阻，总线空闲的时候SCL和SDA处于高电平。I2C总线标准模式下速度可以达到100Kb/S，快速模式下可以达到400Kb/S。I2C总线工作是按照一定的协议来运行的，接下来就看一下I2C协议。 I2C是支持多从机的，也就是一个I2C控制器下可以挂多个I2C从设备，这些不同的I2C从设备有不同的器件地址，这样I2C主控制器就可以通过I2C设备的器件地址访问指定的I2C设备了，一个I2C总线连接多个I2C设备如图26.1.1.1所示：

图26.1.1.1 I2C多个设备连接结构图 图26.1.1.1中SDA和SCL这两根线必须要接一个上拉电阻，一般是4.7K。其余的I2C从器件都挂接到SDA和SCL这两根线上，这样就可以通过SDA和SCL这两根线来访问多个I2C设备。 接下来看一下I2C协议有关的术语： 1、起始位 顾名思义，也就是I2C通信起始标志，通过这个起始位就可以告诉I2C从机，“我”要开始进行I2C通信了。在SCL为高电平的时候，SDA出现下降沿就表示为起始位，如图26.1.1.2所示：

图26.1.1.2 I2C通信起始位 2、停止位 停止位就是停止I2C通信的标志位，和起始位的功能相反。在SCL位高电平的时候，SDA出现上升沿就表示为停止位，如图26.1.1.3所示：

图26.1.1.3 I2C通信停止位 3、数据传输 I2C总线在数据传输的时候要保证在SCL高电平期间，SDA上的数据稳定，因此SDA上的数据变化只能在SCL低电平期间发生，如图26.1.1.4所示：

图26.1.1.4 I2C数据传输 4、应答信号 当I2C主机发送完8位数据以后会将SDA设置为输入状态，等待I2C从机应答，也就是等到I2C从机告诉主机它接收到数据了。应答信号是由从机发出的，主机需要提供应答信号所需的时钟，主机发送完8位数据以后紧跟着的一个时钟信号就是给应答信号使用的。从机通过将SDA拉低来表示发出应答信号，表示通信成功，否则表示通信失败。 5、I2C写时序 主机通过I2C总线与从机之间进行通信不外乎两个操作：写和读，I2C总线单字节写时序如图26.1.1.5所示：

图26.1.1.5 I2C写时序 图26.1.1.5就是I2C写时序，我们来看一下写时序的具体步骤： 1)、开始信号。 2)、发送I2C设备地址，每个I2C器件都有一个设备地址，通过发送具体的设备地址来决定访问哪个I2C器件。这是一个8位的数据，其中高7位是设备地址，最后1位是读写位，为1的话表示这是一个读操作，为0的话表示这是一个写操作。 3)、 I2C器件地址后面跟着一个读写位，为0表示写操作，为1表示读操作。 4)、从机发送的ACK应答信号。 5)、重新发送开始信号。 6)、发送要写写入数据的寄存器地址。 7)、从机发送的ACK应答信号。 8)、发送要写入寄存器的数据。 9)、从机发送的ACK应答信号。 10)、停止信号。 6、I2C读时序 I2C总线单字节读时序如图26.1.1.6所示：

图26.1.1.6 I2C单字节读时序 I2C单字节读时序比写时序要复杂一点，读时序分为4大步，第一步是发送设备地址，第二步是发送要读取的寄存器地址，第三步重新发送设备地址，最后一步就是I2C从器件输出要读取的寄存器值，我们具体来看一下这几步。 1)、主机发送起始信号。 2)、主机发送要读取的I2C从设备地址。 3)、读写控制位，因为是向I2C从设备发送数据，因此是写信号。 4)、从机发送的ACK应答信号。 5)、重新发送START信号。 6)、主机发送要读取的寄存器地址。 7)、从机发送的ACK应答信号。 8)、重新发送START信号。 9)、重新发送要读取的I2C从设备地址。 10)、读写控制位，这里是读信号，表示接下来是从I2C从设备里面读取数据。 11)、从机发送的ACK应答信号。 12)、从I2C器件里面读取到的数据。 13)、主机发出NO ACK信号，表示读取完成，不需要从机再发送ACK信号了。 14)、主机发出STOP信号，停止I2C通信。 7、I2C多字节读写时序 有时候我们需要读写多个字节，多字节读写时序和单字节的基本一致，只是在读写数据的时候可以连续发送多个自己的数据，其他的控制时序都是和单字节一样的。 26.1.2 I.MX6U I2C简介 I.MX6U提供了4个I2C外设，通过这四个I2C外设即可完成与I2C从器件进行通信，I.MX6U的I2C外设特性如下： ①、与标准I2C总线兼容。 ②、多主机运行 ③、软件可编程的64中不同的串行时钟序列。 ④、软件可选择的应答位。 ⑤、开始/结束信号生成和检测。 ⑥、重复开始信号生成。 ⑦、确认位生成。 ⑧、总线忙检测 I.MX6U的I2C支持两种模式：标准模式和快速模式，标准模式下I2C数据传输速率最高是100Kbits/s，在快速模式下数据传输速率最高为400Kbits/s。 我们接下来看一下I2C的几个重要的寄存器，首先看一下I2Cx_IADR(x=1~4)寄存器，这是I2C的地址寄存器，此寄存器结构如图26.1.2.1所示：

图26.1.2.1 寄存器I2Cx_IADR结构 寄存器I2Cx_IADR只有ADR(bit7:1)位有效，用来保存I2C从设备地址数据。当我们要访问某个I2C从设备的时候就需要将其设备地址写入到ADR里面。接下来看一下寄存器I2Cx_IFDR，这个是I2C的分频寄存器，寄存器结构如图26.1.2.2所示：

图26.1.2.2 寄存器I2Cx_IFDR结构 寄存器I2Cx_IFDR也只有IC(bit5:0)这个位，用来设置I2C的波特率，I2C的时钟源可以选择IPG_CLK_ROOT=66MHz，通过设置IC位既可以得到想要的I2C波特率。IC位可选的设置如图26.1.2.3所示：

图26.1.2.3 IC设置 不像其他外设的分频设置一样可以随意设置，图26.1.2.3中列出了IC的所有可选值。比如现在I2C的时钟源为66MHz，我们要设置I2C的波特率为100KHz，那么IC就可以设置为0X15，也就是640分频。66000000/640=103.125KHz≈100KHz。 接下来看一下寄存器I2Cx_I2CR，这个是I2C控制寄存器，此寄存器结构如图26.1.2.4所示：

图26.1.2.4 寄存器I2Cx_I2CR结构 寄存器I2Cx_I2CR的各位含义如下： IEN(bit7)：I2C使能位，为1的时候使能I2C，为0的时候关闭I2C。 IIEN(bit6)：I2C中断使能位，为1的时候使能I2C中断，为0的时候关闭I2C中断。 MSTA(bit5)：主从模式选择位，设置IIC工作在主模式还是从模式，为1的时候工作在主模式，为0的时候工作在从模式。 MTX(bit4)：传输方向选择位，用来设置是进行发送还是接收，为0的时候是接收，为1的时候是发送。 TXAK(bit3)：传输应答位使能，为0的话发送ACK信号，为1的话发送NO ACK信号。 RSTA(bit2)：重复开始信号，为1的话产生一个重新开始信号。 接下来看一下寄存器I2Cx_I2SR，这个是I2C的状态寄存器，寄存器结构如图26.1.2.5所示：

图26.1.2.5 寄存器I2Cx_I2SR结构 寄存器I2Cx_I2SR的各位含义如下： ICF(bit7)：数据传输状态位，为0的时候表示数据正在传输，为1的时候表示数据传输完成。 IAAS(bit6)：当为1的时候表示I2C地址，也就是I2Cx_IADR寄存器中的地址是从设备地址。 IBB(bit5)：I2C总线忙标志位，当为0的时候表示I2C总线空闲，为1的时候表示I2C总线忙。 IAL(bit4)：仲裁丢失位，为1的时候表示发生仲裁丢失。 SRW(bit2)：从机读写状态位，当I2C作为从机的时候使用，此位用来表明主机发送给从机的是读还是写命令。为0的时候表示主机要向从机写数据，为1的时候表示主机要从从机读取数据。 IIF(bit1)：I2C中断挂起标志位，当为1的时候表示有中断挂起，此位需要软件清零。 RXAK(bit0)：应答信号标志位，为0的时候表示接收到ACK应答信号，为1的话表示检测到NO ACK信号。 最后一个寄存器就是I2Cx_I2DR，这是I2C的数据寄存器，此寄存器只有低8位有效，当要发送数据的时候将要发送的数据写入到此寄存器，如果要接收数据的话直接读取此寄存器即可得到接收到的数据。 关于I2C的寄存器就介绍到这里，关于这些寄存器详细的描述，请参考《I.MX6ULL参考手册》第1462页的31.7小节。 26.1.3 AP3216C简介 I.MX6U-ALPHA开发板上通过I2C1连接了一个三合一环境传感器：AP3216C，AP3216C是由敦南科技推出的一款传感器，其支持环境光强度(ALS)、接近距离(PS)和红外线强度(IR)这三个环境参数检测。该芯片可以通过IIC接口与主控制相连，并且支持中断，AP3216C的特点如下： ①、I2C接口，快速模式下波特率可以到400Kbit/S ②、多种工作模式选择：ALS、PS+IR、ALS+PS+IR、PD等等。 ③、内建温度补偿电路。 ④、宽工作温度范围(-30°C ~ +80°C)。 ⑤、超小封装，4.1mm x 2.4mm x 1.35mm ⑥、环境光传感器具有16位分辨率。 ⑦、接近传感器和红外传感器具有10位分辨率。 AP3216C常被用于手机、平板、导航设备等，其内置的接近传感器可以用于检测是否有物体接近，比如手机上用来检测耳朵是否接触听筒，如果检测到的话就表示正在打电话，手机就会关闭手机屏幕以省电。也可以使用环境光传感器检测光照强度，可以实现自动背光亮度调节。 AP3216C结构如图26.1.3.1所示：

图26.1.3.1 AP3216C结构图 AP3216的设备地址为0X1E，同几乎所有的I2C从器件一样，AP3216C内部也有一些寄存器，通过这些寄存器我们可以配置AP3216C的工作模式，并且读取相应的数据。AP3216C我们用的寄存器如表26.1.3.1所示： 寄存器地址 位 寄存器功能 描述 0X00 2:0 系统模式 000：掉电模式(默认)。 001：使能ALS。 010：使能PS+IR。 011：使能ALS+PS+IR。 100：软复位。 101：ALS单次模式。 110：PS+IR单次模式。 111：ALS+PS+IR单次模式。 0X0A 7 IR低位数据 0：IR&PS数据有效，1:无效 1:0 IR最低2位数据。 0X0B 7:0 IR高位数据 IR高8位数据。 0X0C 7:0 ALS低位数据 ALS低8位数据。 0X0D 7:0 ALS高位数据 ALS高8位数据。 0X0E 7 PS低位数据 0，物体在远离；1，物体在接近。 6 0，IR&PS数据有效；1，IR&PS数据无效 3:0 PS最低4位数据。 0X0F 7 PS高位数据 0，物体在远离；1，物体在接近。 6 0，IR&PS数据有效；1，IR&PS数据无效 5:0 PS最低6位数据。 表26.1.3.1 本章使用的AP3216C寄存器表 在表26.1.3.1中，0X00这个寄存器是模式控制寄存器，用来设置AP3216C的工作模式，一般开始先将其设置为0X04，也就是先软件复位一次AP3216C。接下来根据实际使用情况选择合适的工作模式，比如设置为0X03，也就是开启ALS+PS+IR。从0X0A~0X0F这6个寄存器就是数据寄存器，保存着ALS、PS和IR这三个传感器获取到的数据值。如果同时打开ALS、PS和IR则读取间隔最少要112.5ms，因为AP3216C完成一次转换需要112.5ms。关于AP3216C的介绍就到这里，如果要想详细的研究此芯片的话，请大家自行查阅其数据手册。 本章实验中我们通过I.MX6U的I2C1来读取AP3216C内部的ALS、PS和IR这三个传感器的值，并且在LCD上显示。开机会先检测AP3216C是否存在，一般的芯片是有个ID寄存器，通过读取ID寄存器判断ID是否正确就可以检测芯片是否存在。但是AP3216C没有ID寄存器，所以我们就通过向寄存器0X00写入一个值，然后再读取0X00寄存器，判断读出得到值和写入的是否相等，如果相等就表示AP3216C存在，否则的话AP3216C就不存在。本章的配置步骤如下： 1、初始化相应的IO 初始化I2C1相应的IO，设置其复用功能，如果要使用AP3216C中断功能的话，还需要设置AP3216C的中断IO。 2、初始化I2C1 初始化I2C1接口，设置波特率。 3、初始化AP3216C 初始化AP3216C，读取AP3216C的数据。 26.2 硬件原理分析 本试验用到的资源如下： ①、指示灯LED0。 ②、 RGB LCD屏幕。 ③、AP3216C ④、串口 AP3216C是在I.MX6U-ALPHA开发板底板上，原理图如图26.2.1所示：

图26.2.1 AP3216C原理图 从图26.2.1可以看出AP3216C使用的是I2C1，其中I2C1_SCL使用的UART4_TXD这个IO、I2C1_SDA使用的是UART4_R XD这个IO。 26.3 实验程序编写 本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、裸机例程-> 17_i2c。 本章实验在上一章例程的基础上完成，更改工程名字为“ap3216c”，然后在bsp文件夹下创建名为“i2c”和“ap3216c”的文件夹。在bsp/i2c中新建bsp_i2c.c和bsp_i2c.h这两个文件，在bsp/ap3216c中新建bsp_ap3216c.c和bsp_ap3216c.h这两个文件。bsp_i2c.c和bsp_i2c.h是I.MX6U的I2C文件，bsp_ap3216c.c和bsp_ap3216c.h是AP3216C的驱动文件。在bsp_i2c.h中输入如下内容：

示例代码26.3.1 bsp_i2c.h文件代码
1  #ifndef _BSP_I2C_H
2  #define _BSP_I2C_H
3  /***************************************************************
4  Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
5  文件名    : bsp_i2c.h
6  作者      : 左忠凯
7  版本      : V1.0
8  描述      : IIC驱动文件。
9  其他      : 无
10 论坛      : www.openedv.com
11 日志      : 初版V1.0 2019/1/15 左忠凯创建
12 ***************************************************************/
13 #include "imx6ul.h"
14 
15 /* 相关宏定义 */
16 #define I2C_STATUS_OK                	(0)
17 #define I2C_STATUS_BUSY              	(1)
18 #define I2C_STATUS_IDLE              	(2)
19 #define I2C_STATUS_NAK               	(3)
20 #define I2C_STATUS_ARBITRATIONLOST 	(4)
21 #define I2C_STATUS_TIMEOUT           	(5)
22 #define I2C_STATUS_ADDRNAK           	(6)
23 
24 /*
25  * I2C方向枚举类型
26  */
27 enum i2c_direction
28 {
29     kI2C_Write = 0x0,        				/* 主机向从机写数据 	*/
30     kI2C_Read = 0x1,         				/* 主机从从机读数据 	*/
31 };
32 
33 /*
34  * 主机传输结构体
35  */
36 struct i2c_transfer
37 {
38     unsigned char slaveAddress;        	/* 7位从机地址    	*/
39     enum i2c_direction direction;      	/* 传输方向        	*/
40     unsigned int subaddress;             	/* 寄存器地址       	*/
41     unsigned char subaddressSize;       	/* 寄存器地址长度  	*/
42     unsigned char *volatile data;       	/* 数据缓冲区       	*/
43     volatile unsigned int dataSize;     	/* 数据缓冲区长度  	*/
44 };
45 
46 /*
47  *函数声明
48  */
49 void i2c_init(I2C_Type *base);
50 unsigned char i2c_master_start(I2C_Type *base, 
unsigned char address, 
enum i2c_direction direction);
51 unsigned char i2c_master_repeated_start(I2C_Type *base, 
unsigned char address,  
enum i2c_direction direction);
52 unsigned char i2c_check_and_clear_error(I2C_Type *base, 
unsigned int status);
53 unsigned char i2c_master_stop(I2C_Type *base);
54 void i2c_master_write(I2C_Type *base, const unsigned char *buf, 
unsigned int size);
55 void i2c_master_read(I2C_Type *base, unsigned char *buf, 
unsigned int size);
56 unsigned char i2c_master_transfer(I2C_Type *base, 
struct i2c_transfer *xfer);
57 
58 #endif

第16到22行定义了一些I2C状态相关的宏。第27到31行定义了一个枚举类型i2c_direction，此枚举类型用来表示I2C主机对从机的操作，也就是读数据还是写数据。第36到44行定义了一个结构体i2c_transfer，此结构体用于I2C的数据传输。剩下的就是一些函数声明了，总体来说bsp_i2c.h文件里面的内容还是很简单的。接下来在文件bsp_i2c.c里面输入如下内容：

示例代码26.3.2 bsp_i2c.c文件代码

/***************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名   : bsp_i2c.c
作者     : 左忠凯
版本     : V1.0
描述     : IIC驱动文件。
其他     : 无
论坛     : www.openedv.com
日志     : 初版V1.0 2019/1/15 左忠凯创建
***************************************************************/
1   #include "bsp_i2c.h"
2   #include "bsp_delay.h"
3   #include "stdio.h"
4   
5   /*
6    * @description 	: 初始化I2C，波特率100KHZ
7    * @param – base	: 要初始化的IIC设置
8    * @return         	: 无
9    */
10  void i2c_init(I2C_Type *base)
11  {
12      /* 1、配置I2C */
13      base->I2CR &= ~(1