【.NET 与树莓派】i2c（IIC）通信

i2c（或IIC）协议使用两根线进行通信（不包括电源正负极），它们分别为：

1、SDA：数据线，IIC 协议允许在单根数据线上进行双向通信——这条线既可以发送数据，也可以接收数据。

2、SCL：时钟线，注意了，这个时钟线跟我们平时所说的时钟没什么关系，不要以为这根线是用来接手表的。其实，这里所说的“时钟”，更像是我们看音乐会的时候，站在前面最中央处的那个指挥者，或者说节拍器。它的作用就是协调硬件之间的传输节奏，做到步伐一致，不然数据就会乱了。比如，IIC通信里面，当时钟线的电平拉高后，数据线的内容就不能改变，也就是说，SCL高电平时，不能写数据，但可以读。当SCL下降为低电平后，才能向数据线（SDA）写入数据。

IIC 通信以 Start 信号开始，以 Stop 信号结束。

传送开始信号的方法：拉高SCL和SDA的电平，在SCL处于高电平的情况下把SDA的电平拉低。

传送结束信号的方法：拉高SCL的电平，在SCL处于高电平的情况下，把SDA的电平拉高。

这其中，你会发现规律：无论是开始信号还是结束信号，SCL 都处于高电平，前文提过，时钟线拉高就是固定数据线上的内容，显然，在开始和结束信号中，是不能传数据的。在SDA上，开始信号和结束信号刚好相反，Start 时电平拉低，Stop 时电平拉高。下面这张图是从 IIC 的协议手册上盗来的。

写入数据时，主机先把时钟线SCL拉低，然后写入一个二进制位（高电平为1，低电平为0），然后把SCL拉高，此时从机读取这个二进制位。接着第二个二进制位也是这样，主机拉低SCL，写SDA，再拉高SCL，从机读……当发送完 8 个二进制（一个字节）后，在第九个时钟周期，主机把SDA拉高（有时候需要切换为输入模式），再拉高SCL，等待从机写应答；如果主机从SDA上读到低电平，表示从机有应答（你的红包我收到了），要是读到高电平，表示无应答（你啥时候发的红包？我都没看到）。

从机向主机发送数据的过程也一样，SCL仍然由主机操控，SCL拉低后向SDA写数据，SCL拉高后就不能写了，此时主机读SDA上的数据。通常主机在接收完最后一个字节后可以不应答（让SCL和SDA同时高电平），或直接发送 Stop 信号终止通信（毕竟主机权力大，生死予夺都是主机说了算）。

上面的东东看得好像很乱，刚接触时就是这样的，见多了就熟悉了。可以大概地总结一下：

1、SCL低电平时，发送方写SDA；

2、SCL高电平锁定SDA，发送方不能写，接收方读；

3、应答信号：SCL高 + SDA低---> 有应答；SCL高 + SDA高---> 无应答。

其实，我们实际开发中，不了解协议时序也没关系，我们也很少手动去模拟 IIC 通信过程。尤其是像树莓派这种带操作系统的开发板，更不应该手动去模拟，而是直接用现成的库（或者API）。不管你什么语言，你都是先向系统发送指令，然后系统去控制硬件，效率上都无法保证。而且，IIC 协议都是标准化的协议，你每次写程序都去手动模拟通信，浪费时间，意义也不大。这好比我们在 Socket 编程时一样，你不可能总去自己写个协议再来通信吧。一般都会直接用 TCP 或 UDP 协议。

所以，对于IIC协议也是如此，我们了解一下就行了。老周上面在介绍时也是简略化的，所以你可能看得有点晕，若想深入理解，可以看数据手册。毕竟老周不可能把手册上的内容复制过来的，那就是抄袭了。

好，继续。

IIC 总线可以挂多个从机，从机不会主动发起通信，都是由主机发起通信的。因此，主机必须知道要跟哪个从机通信，故挂到总线上的从机必须拥有唯一的地址——这就是所谓的器件地址。就像一个内网中的 N 台电脑一样，每台电脑都要给它分配唯一的 IP 地址，这样你才能知道你正在跟谁说话。哪怕是 UDP 广播，也是有广播地址，192.168.1.255。

IIC 器件地址，7位地址最常见，当然也有 10 位的（老周买的各种模块中都没见到），这个【位】是二进制位，常用的 7 位就是7个二进制位。7 位地址格式如下：

低位在右边，从右到左，我们看到第 1 位是 R/W，表示读写位，就是用来告诉从机，我要读数据还是写数据。“W”头顶上有个横线，表示低电平，即 0 表示写，1 表示读。从第二位到第八位就是从机的地址了。所以，现在你知道为啥地址是7位的原因了吧，就是要留一位来确定读还是写。

假如某品牌的自动铲屎机使用 IIC 通信协议，标签上告诉你它的从机地址是 0x47，先把它弄成二进制。

0100 0111

第八位是0，所以有效的值是第一位到第七位，属7位地址。当主机要向铲屎机发起通信时，需要把地址左移一位，变成：

1000 1110

左移后，第二到第七位表示器件地址，就能空出第一位用来放读写标志了。如果要写数据，就向从机发 1000 1110；要读数据，就向从机发 1000 1111。

注意，我们在调用库的时候，是不需要左移的，比如我们.NET中用的 System.Device.Gpio 库，内部会自动进行左移。

好了，基础知识就介绍到这儿，相信你对 IIC 协议已经有大概的了解，下面咱们来看看 System.Device.Gpio 给我们准备了哪些类。

A、命名空间：System.Device.I2c

B、I2cConnectionSettings 类，用来配置 IIC 通信的必要参数。其实就两个：第一个是总线ID，一般系统默认的是 1。第二个参数就是从机的地址（不需要左移）。

C、I2cDevice，核心类，用于读写数据。这是个抽象类，内部根据不同的系统有各自的实现版本，但我们在调用时不用关心是哪个版本。

D、I2cBus，这个一般可以不用，如果硬件上有多个总线，可以使用这个类指定使用哪个总线。其实树莓派有两路 i2c 总线的，我们平时用的是 i2c-1，还有一个 i2c-0 是隐藏的，留给摄像头用的，可以参考官方文档。

        i2c_arm                 Set to "on" to enable the ARM's i2c interface
                                (default "off")

        i2c_vc                  Set to "on" to enable the i2c interface
                                usually reserved for the VideoCore processor
                                (default "off")

        i2c                     An alias for i2c_arm

“i2c”和“i2c-arm”是同一个东东，只是名字不同罢了，所以，一块板子上就有 “i2c-arm”和“i2c-vc” 两路总线，“i2c-vc”分配给摄像头以及视频相关的接口使用。当然，你也可以拿“i2c-vc”作为常规总线用的，要把视频相关的接口禁用。如果两路都拿来用了，那么树莓派上就有两个总线ID，一个是 0，一个是 1。

另外，也可以使用软件模拟 i2c，这样你就可以弄出几个总线出来了——i2c-2、i2c-3、i2c-150 …… 配置如下：

Name:   i2c-gpio
Info:   Adds support for software i2c controller on gpio pins
Load:   dtoverlay=i2c-gpio,<param>=<val>
Params: i2c_gpio_sda            GPIO used for I2C data (default "23")

        i2c_gpio_scl            GPIO used for I2C clock (default "24")

        i2c_gpio_delay_us       Clock delay in microseconds
                                (default "2" = ~100kHz)

        bus                     Set to a unique, non-zero value if wanting
                                multiple i2c-gpio busses. If set, will be used
                                as the preferred bus number (/dev/i2c-<n>). If
                                not set, the default value is 0, but the bus
                                number will be dynamically assigned - probably
                                3.

这个只是提一下，必要时可以用上，软件模拟的接口通信，性能和效率会相对差一点的。

树莓派默认是不打开 i2c 接口的，所以要在配置中将其打开。

sudo raspi-config

找到接口选项。

选择 P5 I2C 条目。

然后选择“YES”。

或者简单粗暴，修改 /boot/config.txt，加上这一行：

dtparam=i2c_arm=on

保存退出。

这一次的 IIC 演示实例，老周不使用传感器。主要担心有同学会误解，因为很多电子模块/传感器都是通过读写寄存器的方式来控制的，于是有同学会以为 IIC 是操作寄存来传递信息的。其实不然，跟 TCP 协议一样，你可以用 IIC 传递任何字节，只要能用二进制表示的就没问题了。

本例老周用一块 Arduino （读音：阿嘟伊诺，重音在后面，“伊诺”要读出来，别读什么“阿丢诺”）开发板做为 IIC 从机，型号为  Uno R3（读音：乌诺，意大利语“第一”的意思，表明这是 Arduino 的首套板子）。然后用树莓派作为主机，来控制 Arduino。

Arduino 上使用 Wire 库进行 IIC 通信。首先要包含 Wire.h 头文件。

#include <Wire.h>

在这个头文件中，注意有这么一行。

extern TwoWire Wire;

其实头文件中声明的封装类名为 TowWire，然后在头文件中用这个类声明了一个变量 Wire，加上 extern 关键字使得其他代码能访问到它，只要 include 这个头文件就OK了。Wire 变量的赋值代码在 Wire.cpp 文件中（提前给你实例化一个对象了）。

TwoWire Wire = TwoWire();

这样布局代码的好处在于：包含 Wire.h 文件后，你马上就能用了，直接就可以通过 Wire 变量调用 TwoWire 的公共成员了。

Arduino 代码一般有两个特定的函数：

setup：初始化一些设置，比如某某引脚设定为输出模式。此函数会在程序在烧进板子上时执行一次，然后就不会执行，进入 loop 函数死循环。但是，如果你按了复位按钮，或者断电了重新上电，就会执行 setup 函数。

loop：这个函数被放在一个 die 循环里，它会无限期地被调用，只要程序被烧进开发板上就会永远地循环。

有同学会问：C/C++不是有入口点吗，main 函数滚哪里去了？main 函数在 main.cpp 文件中，编译时由 Arduino 编译器自动链接。

int main(void)
{
    ……

    setup();

    for (;;) {
        loop();
        if (serialEventRun) serialEventRun();
    }

    return 0;
}

从入口点函数的逻辑中也看到，setup 函数只调用了一次，然后 loop 函数死循环。

好了，题外话结束，下面咱们回到 Arduino 的项目中，在setup函数中调用 Wire.begin 方法，开始 IIC 通信。

void setup()
{
    // 该从机的地址是 0x15
    Wire.begin(0x15);
    // 注册函数，当收到主机数据时调用
    Wire.onReceive(onRecData);
    // 注册函数，当主机请求数据时调用
    Wire.onRequest(onRequestData);
}

如果 Arduino 作为 IIC 主机，调用 begin 方法时不需要指定地址；此例中 Arduino 充当从机，所以要指定从机地址 0x15（你可以改为其他地址，一般用7位）。树莓派上的应用会使用地址 0x15 来找到这块 Uno 板子。

注意这两行：

    Wire.onReceive(onRecData);
    Wire.onRequest(onRequestData);

这两个方法的参数都是指向一个函数的指针，传递时直接写函数名即可。onRecieve 方法注册一个函数，当收到主机发来的数据时调用这个函数；onRepuest 方法注册一个函数，当主机希望从机发送数据时调用这个函数。

onRecData 和 onRequestData 函数定义如下：

void onRecData(int count)
{
    if (Wire.available())
    {
        // 读一个字节
        readData = Wire.read();
    }
}

void onRequestData(void)
{
    // 向主机发数据
    Wire.write(sendData);
}

在这个示例中，主机只向从机发一个字节，所以参数 count 可以忽略，直接调用 Wire.read 读一个字节，并保存在变量 readData 中；发送数据时调用 Wire.write 方法将 sendData 中的内容发送给主机。在loop循环中，根据readData的值生成sendData的内容——根据主机发的命令生成回复消息。

void loop()
{
    // 根据主机传来的数据设置要发给主机的数据
    switch (readData)
    {
    case 1:
        strcpy(sendData, "SB");
        break;
    case 2:
        strcpy(sendData, "NB");
        break;
    case 3:
        strcpy(sendData, "XB");
        break;
    default:
        strcpy(sendData, "SB");
        break;
    }
}

完整代码结构如下；

#include <Wire.h>

// 预声明函数
void onRecData(int);
void onRequestData(void);

// 从主机读到的数据
uint8_t readData = 0;

// 要发给主机的数据
// 两个字符 + \0，所以是3字节
// 但这里不需要 \0
char sendData[2] = { };

void setup()
{
    // 该从机的地址是 0x15
    Wire.begin(0x15);
    // 注册函数，当收到主机数据时调用
    Wire.onReceive(onRecData);
    // 注册函数，当主机请求数据时调用
    Wire.onRequest(onRequestData);
}

void loop()
{
    ……
}

void onRecData(int count)
{
    if (Wire.available())
    {
        // 读一个字节
        readData = Wire.read();
    }
}

void onRequestData(void)
{
    // 向主机发数据
    Wire.write(sendData);
}

接下来编写树莓派上的应用。

dotnet new console -n Myapp -o .

上面命令创建新的控制台项目，名为Myapp，存放在当前目录下。

添加 System.Device.Gpio 包的引用。

dotnet add package System.Device.Gpio

前文提到过，默认启用的 IIC 总线是 i2c-1，所以实例化 I2cConnectionSettings 时，Bus ID 是1，从机地址是 0x15。

    I2cConnectionSettings settings = new(1, 0x15);

随后获取 I2cDevice 对象。

    I2cDevice device = I2cDevice.Create(settings);

本例的逻辑为：由用户从键盘输入数字（1、2、3），然后把这个数字发给从机（Arduino 板子），然后读取从机回复的数据。

            byte input = 0; //读取键盘输入
            Console.WriteLine("现在开始，输入 end 可退出");
            while (true)
            {
                Console.Write("请输入：");
                string sl = Console.ReadLine();
                if (sl.Equals("end", StringComparison.InvariantCultureIgnoreCase))
                {
                    break;
                }
                // 将输入内容转为byte
                if (!byte.TryParse(sl, out input))
                {
                    input = 0;
                }
                /*
                //发送数据
                device.WriteByte(input);
                Thread.Sleep(3);
                // 接收从机发来的数据
                Span<byte> buffer = stackalloc byte[3];
                device.Read(buffer);
                */
                // 可以一步到位，写完就读
                byte[] sendBuf = new byte[] { input };
                byte[] recvBuf = new byte[2];
                device.WriteRead(sendBuf, recvBuf);
                string sr = Encoding.Default.GetString(recvBuf);
                Console.WriteLine("接收到的数据：{0}", sr);
            }
            device.Dispose();

可以调用 WriteXXX 类似方法写入要发送的数据，调用 ReadXXX 类似的方法读入接收到的数据。也可以用 WriteRead 方法，写入数据后接收数据，一步完成。

接线方法：树莓派默认的 IIC 引脚为 GPIO 2和3，即板子上的3、5脚；Arduino 的 SDA 引脚为 A4，SCL引脚为 A5（A4和A5为模拟量读入口，可重用为 IIC 接口），其实 Arduino 还有一路 IIC 接口，位于数字引脚 D13 、GND、AREF后面，就是这里：

所以，接线图如下：

也就是，树莓派的 GPIO 2 接 Arduino 的 A4，树莓派的 GPIO 3 接 Arduino 的 A5。另外，还要把两个板子的 GND 连起来（共地），虽然不共地也能通信，但可能存在被干扰的情况，共地后使用低电平的“0V”有了统一的参考标准，这样传递信号准确更高。

如果 Arduino 开发板没有独立供电，可以把树莓派的 5V 与 Arduino 的 VIN 连接起来，用树莓派给 Arduino 供电（VIN的输入电压不能高于 5.5V，因为这个引脚没有保护措施，过压会炸板子）。

编译 .NET 应用并上传到树莓派，然后运行，输入不同数字，Arduino 会回复对应的消息。

好了，完工，示例代码请点击这里下载。

有人会问，树莓派有没有山寨版？有，比如橙子派什么的，某宝上还有荔枝派。这些板子大多数不贵，但是不太敢买，还是买原装的好一些。 Arduino 是开源板子，版本也很多（也有山寨的），像 DFRobot 好像也可以，还有很多十几块的没名字的，所以也叫不出什么版本，只能说山寨了。不过说实话，还是原装的运行稳定，尽管贵一些。老周当初也是买了几块那种十几块的，上传程序经常出错，装驱动也头疼。原版的稳定，起码用到现在也出过错，也不用找驱动，Windows 能识别。

所以说嘛，一分价钱一分货，后来老周干脆发点血买原装版本的。