GDE專欄 | Android Things中的I2C

文｜ 谷歌開發技術專家 王玉成 (York Wang)

上一講中，我們說到 Android Things 的 API，以及 Peripheral I/O 裝置包含的 API 的型別。但是作為程式設計師的我們，怎麼理解這些 API 呢？

我們就拿 I2C 的 API 來說吧。看看我們怎樣在 Android Things 中新增一個 I2C 的裝置？首先得知道，I2C 是做什麼的？怎麼用？

實際上，I2C 是同步的序列通訊匯流排，一般用於控制訊號，比如控制 LCD， Camera 等裝置。另外，大部分感測器有 I2C 的介面。I2C 是依靠時鐘訊號來傳遞資料的，所以有主裝置（產生時鐘的訊號）和從裝置（接收時鐘的訊號）之分。I2C 的通訊每一次操作都是由主裝置的發起的。

既然 I2C 是依靠時鐘傳遞的訊號，那麼在連線上就有時鐘錢 (SCL) 和資料線 (SDA)，然後為了電勢與大地相同，自然少不了地線 (GND)。為了方便沒有接觸過 I2C 匯流排的同學們理解這三個名詞，貼上名詞的全稱：

• Shared clock signal (SCL)
  

• Shared data line (SDA)

• Common ground reference (GND)

單看上面的圖，為啥有三個 I2C 裝置連線在一起呢？這三者之間又是什麼關係？

其中，寫有 Master Device 的 I2C 裝置，稱為主裝置，另外兩個為從裝置。從主裝置引出的 SDA 和 SCL 線構成 I2C 的匯流排。一個 I2C 的主裝置可以提供一條 I2C 的匯流排，一條匯流排上最後可以連線 127 個 I2C 的從裝置。

等等，為啥是 127 個呢？主要是 I2C 的地址有 7 位和 10 位兩種地址。也就意味著，對於 7 位的地址表達的資料最大可以到 2^7＝128，減去一個主裝置，就是 127 個從裝置了。這裡的 I2C 裝置地址，就是上圖的 Address: 0x3c 和 0x4c，I2C 的主裝置是通過從裝置的地址，來找到從裝置的。請注意，I2C 的主裝置，是沒有裝置地址這一說法的。

我們還需要了解 I2C 的一些硬體資訊:

I2C 是半雙工，可以有主 -> 從方向的資料，也可以有從 -> 主方向的資料，但是同一時刻，只能有一種傳輸方式。這點和 SPI 是有差別的，SPI 匯流排支援全雙工模式。但它同時只能訪問一個從裝置，由片選訊號 (CS) 來決定。這就很明顯了，I2C 通常用於控制命令的傳輸。而 SPI 通常用資料的批量傳輸。

瞭解完 I2C 的基本硬體資訊。我們來了解一下 I2C 的從裝置操作方式。不多不多，就是三大步。

• 連線從裝置

• 對從裝置進行讀操作

• 對從裝置進行寫操作

裝置連線

先要檢查我們的物聯網裝置上有沒有 I2C 匯流排。這時需要補充一下，有可能你的開發板上有多個 I2C 的匯流排。這時候， I2C 的匯流排地址 (此處非 I2C 的裝置地址) 是有多個的，要明確你的 I2C 裝置是接在哪個 I2C 的匯流排上。這也可以理解，為什麼得到的 I2C 匯流排的資料是用 List 型別進行存放的。

如果有匯流排，我們再查詢當前的 I2C 匯流排上對應的 I2C 裝置。

關鍵的介面是 manager.openI2CDeivce（..），這個函式有兩個引數，DEVICE_NAME 是使用者定義的一個字串，表示裝置的名稱。I2C_ADDRESS，也是之前所說的 I2C 從裝置上的地址，這個地址在當前的 I2C 匯流排上是唯一的。

讀寫操作

首先得把 I2C 的操作流程搬出來說了。

這張圖翻譯成中文就是這樣子的：

這樣就完成了向裝置地址為 0x30、暫存器地址為 0x10 的裝置上讀或者寫入 0x06 這個資料。

那怎麼知道是讀資料，還是寫資料呢？實際上 I2C 是 7 位的地址位。但是一個位元組是 8 位，其中有一位叫做讀寫位。如果那一位設為讀，就是去讀操作，如果設為寫，就是寫操作。實際上，在示波器上我們還能看到另外的一個 ACK 位，保證硬體上傳輸正常，ACK 位在軟體上不需要處理。

那麼，加上 I2C 的讀寫位之後， I2C 資料傳輸會是什麼樣的呢？

我們可以看到， I2C 資料傳輸的時序，從硬體上來說 SCL 是按週期發的時鐘訊號，當 SCL 是高電平時，SDA 產生一個下降沿，這時候開始資料傳輸。其中傳輸 I2C 的從裝置地址共有 8 位，1-7 位是地址，第 8 位是讀寫位，0 表示寫，1 表示讀。然後硬體自動產生 ACK 位。接下來就是資料傳輸的整個過程，最後當資料傳完後，SCL 為高電平，SDA 產生上升沿時，產生 STOP 操作。事實上，在 I2C 做讀操作需要往 I2C 的裝置寫入隨機值，再去讀，不過這些操作在 I2C 相關的介面中已經為我們封裝好了。

這麼大篇幅介紹了 I2C 的原理，還有 I2C 的時序，操作流程。實際上，Android Things 已經幫我們把讀寫介面封裝好了，我們只需要在理解的基礎上，呼叫介面就行了。

可以看出，Android Things 已經給我們封裝好了 I2C 的讀寫操作 ，我們直接用就可以了。

這裡面還有個細節比較繞。之前提到， I2C 的裝置地址可以是 7 位，也可以是 10 位，但是 I2C 裝置的暫存器可以是 8 位，也可以是 16 位。這裡面就涉及到 8 位的裝置，以及 16 位裝置的讀寫問題。

六大函式出場：

• 8 位地址讀寫操作- readRegByte() 和 writeRegByte()

• 16 位地址讀寫操作 - readRegWord() 和 writeRegWord()

• 批量讀寫操作- readRegBuffer() and writeRegBuffer()

  
  

其中 Byte 是針對 8 位的 I2C 裝置，Word 是針對 16 位的裝置。

讀操作：用暫存器的地址做為引數。

寫操作：兩個引數，暫存器地址，和你要寫入的值。

上面的程式碼中，把暫存器的第 6 位置 1。所以操作流程是

1. 讀出暫存器的值

2. 將這個值的第6位置1 (value |= 0x40;)

3. 然後把新的值寫回暫存器

不過對於 16 位的地址操作還有一個大小端的問題。（什麼是大小端？去 Google 吧 ）現在的 API 是依照小端模式來讀寫的 16 位裝置地址。

直接批量資料操作，可以最大讀到 32 個連續的暫存器的數值。

那麼，我們怎麼使用介面進行批量操作呢？

傳輸原始資料

還是先來張圖吧：

這種操作方法，不同於上面的讀寫暫存器。在 I2C 的操作中，屬於 burst 操作方法。即一次性的讀寫多少位元組，最後再停止。

跟一個例子：

這樣傳輸能帶來更高的傳輸效率，解決了 I2C 傳輸的核心問題，我們也解決了支援 I2C 的任何外設的讀寫問題。

後記

Android Things 的 SDK 中，Peripheral I/O 部分是包括三種匯流排的，UART, I2C, SPI。對於軟體開發人員來說，有下面幾點需要注意：

• UART 開發，需要了解 UART 的波特率、流控等概念。

• SPI 開發，需要了解 MISO, MOSI,CLK, GND, CS 這些連線的作用，還有 SPI 的操作模式等，SDK 中的介面，與上文的 I2C 的開發流程相似。

• I2C開發，就不用接著說了吧
  

下一講我們會展示一個完整的 Android Things 應用。

您如果有任何涉及到 Android Things 方面的想法，都歡迎大家在下方留言，我們會把好的建議轉交給 Android Things 的產品部門。也許在某一天，你的建議就是 Andorid Things 的一部分。

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