什麼是 I2C 匯流排
I2C 匯流排（Inter-Integrated Circuit Bus）是裝置與裝置間通訊方式的一種。它是一種序列通訊匯流排，由飛利浦公司在1980年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連線低速周邊裝置而發展[1]。I2C 匯流排包含兩根訊號線，一根為訊號線 SDA ，另一根為時鐘線 SCL 。匯流排上可以掛載多個裝置，以 7 位 I2C 地址為例，匯流排上最多可以掛載 27 - 1 個裝置，即 127 個，地址 0x00 不用（類似於網路中的廣播地址）。I2C 還包括一個子集叫 SMBus （System Management Bus），是 1995 年由 Intel 提出的[2]。為什麼說是子集，是因為 SMBus 是 I2C 的簡化版，電氣特性和傳輸速率等方面上略有不同。下圖展示了一個 I2C 主裝置和三個 I2C 從裝置的示意圖，匯流排上只能有一個主裝置，而通常情況下你的主機（如 Raspberry Pi，Arduino）就是主裝置，感測器為從裝置。
圖源：Wikipedia
注意
System.Device.Gpio 目前並不支援 I2C Repeated，I2cDevice 類尚未提供 WriteRead() 方法，部分裝置可能無法正常通訊。
I2C 匯流排也並不是那麼完美。因為 I2C 只有兩根訊號線，與 SPI 的四根訊號線相比，傳輸速率上並不佔優，而且資料在同一時間內只能向一個方向傳輸。但反過來看，I2C 匯流排的最大優點是隻需要佔用兩個 IO 介面，在微控制器等 IO 介面數量較少的裝置上也算是一種優勢吧。
在 Raspberry Pi 的引腳中，引出了一組 I2C 介面，其內部匯流排 ID 為 1，引腳中的 GPIO 2 為 SDA，GPIO 3 為 SCL（如下圖所示）。至於 I2C-0，它用於 Raspberry Pi 內部的 GPIO 擴充套件器、相機、顯示器等其他裝置。Raspberry Pi 的 I2C 引腳中內建了一個 1.8 kΩ 的上拉電阻，這意味著在一般情況下使用 I2C 匯流排時不必再連線一個額外的上拉電阻。
Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖
相關類
I2C 操作的相關類位於 System.Device.I2c 和 System.Device.I2c.Drivers 名稱空間下。
I2cConnectionSettings
I2cConnectionSettings 類位於 System.Device.I2c 名稱空間下，表示 I2C 裝置的連線設定。
public sealed class I2cConnectionSettings
{
// 建構函式
// busId 是 I2C 匯流排的內部 ID，在 Raspberry Pi 上只能填 1
// deviceAddress 是要連線裝置的 I2C 地址
public I2cConnectionSettings(int busId, int deviceAddress);
}UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice
UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice 類位於 System.Device.I2c.Drivers 名稱空間下。兩個類均派生自抽象類 I2cDevice，分別代表 Unix 和 Windows10 下的 I2C 控制器，使用時按照所處的平臺有選擇的進行例項化。這裡以 UnixI2cDevice 類為例說明。
public class UnixI2cDevice : I2cDevice
{
// 建構函式
// 需要傳入一個 I2cConnectionSettings 物件
public UnixI2cDevice(I2cConnectionSettings settings);
// 方法
// 從從裝置中讀取一段資料，資料長度由 Span 的長度決定
public override void Read(Span<byte> buffer);
// 從從裝置中讀取一個位元組的資料
public override byte ReadByte();
// 向從裝置中寫入一段資料，通常 Span 中的第一個資料為要寫入資料的暫存器的地址
public override void Write(ReadOnlySpan<byte> data);
// 向從裝置中寫入一個位元組的資料，通常這個位元組為暫存器的地址
public override void WriteByte(byte data);
}I2C 匯流排的通訊步驟
在開始實驗之前，首先說明一下 I2C 匯流排的讀取和寫入的步驟。因為 .NET 幫我們封裝好了一些操作方法，這大大簡化了 I2C 的操作難度，即使你沒有豐富的硬體知識也可以順利的操作硬體，所以我們不必像開發微控制器一樣去研究裝置之間通訊的時序圖（當然，如果通訊出現錯誤的話還是需要用時序圖幫助判斷）。
讀取
向從裝置寫入要讀取的暫存器的地址
這類似於陣列的指標，需要先定位到相應的位置才能讀取。通常地址是一位的，只需要呼叫
WriteByte()方法即可，但也有特殊情況，比如兩個位元組的地址或者命令+地址時，就需要呼叫Write()方法。讀取從裝置中的資料
定位完成後就可以向從裝置請求資料了。如果要讀取一個位元組的資料，那麼就呼叫
ReadByte()方法，如果要讀取多個位元組，首先需要例項化一個byte 陣列，通過呼叫Read()方法來讀取多個資料，讀取的資料取決於陣列的長度。比如要讀取 8 個位元組的資料，程式碼如下：
C# Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; sensor.Read(readBuffer);
寫入
寫入一般用於配置從裝置的暫存器。因為你不可能只向從裝置寫入暫存器的地址吧，所以通常會呼叫 Write() 方法。比如向地址為 0x01 的暫存器寫入一個位元組的資料，程式碼如下：
Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xFF };
sensor.Write(writeBuffer);溫溼度感測器讀取實驗
本實驗選用的感測器為奧鬆的 DHT12。主要考慮到這個感測器讀取非常簡單，不用配置，價格便宜，很適合用來練手。資料手冊地址：https://wenku.baidu.com/view/325b7096eff9aef8941e06f9.html 。
提示
資料手冊（Datasheet）是電子元件的使用說明書，包括介紹、電氣特性、通訊協議、效能等方面的內容。拿到資料手冊時我們應該關注什麼？
1. 關注該元件的通訊協議。有些裝置支援多種通訊協議，如本實驗用到的 DHT12 不僅支援 I2C，還支援 1-Wire 協議。選擇合適的通訊協議進行程式設計。
2. 關注打算使用的通訊協議的細節。比如 I2C 匯流排，你需要關注元件的地址、各個暫存器的地址、最大傳輸速率等等。
3. 關注該元件的通訊的細節。有些裝置的通訊很簡單，並不需要拐彎抹角，但還有一些裝置需要傳送一些額外的命令。比如你在傳送完暫存器地址後還需要緊接著傳送一段命令，用於決定是讀還是寫該暫存器，返回資料時是按位元組（byte）返回還是按字（word）返回等。
4. 關注各個暫存器的作用和配置。資料手冊中基本上都會把每個暫存器逐條列出，注意細節即可。
感測器影像
硬體需求
| 名稱 | 數量 |
|---|---|
| DHT12 | x1 |
| 4.7 kΩ 電阻 | x2 |
| 杜邦線 | 若干 |
電路
- SCL - SCL
- SDA - SDA
- VCC - 5V
- GND - GND
如果你的 DHT12 是裸板的話需要像電路圖中一樣給 SDA 和 SCL 加上上拉電阻。
程式碼
- 開啟 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程式，專案名稱為“Dht12”。
- 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
新建類 Dht12，替換如下程式碼：
public class Dht12 : IDisposable { /// <summary> /// DHT12 預設 I2C 地址 /// </summary> public const byte DefaultI2cAddress = 0x5C; // 若資料手冊中給的是8位的I2C地址要記得右移1位 private I2cDevice _sensor; private double _temperature; /// <summary> /// DHT12 溫度 /// </summary> public double Temperature { get { ReadData(); return _temperature; } } private double _humidity; /// <summary> /// DHT12 溼度 /// </summary> public double Humidity { get { ReadData(); return _humidity; } } /// <summary> /// 例項化一個 DHT12 物件 /// </summary> /// <param name="sensor">I2CDevice，如 UnixI2cDevice 和 Windows10I2cDevice</param> public Dht12(I2cDevice sensor) { _sensor = sensor; } private void ReadData() { Span<byte> readBuff = stackalloc byte[5]; // 資料手冊第三頁提供了暫存器地址表 // DHT12 溼度暫存器地址 _sensor.WriteByte(0x00); // 連續讀取資料 // 溼度整數位，溼度小數位，溫度整數位，溫度小數位，校驗和 _sensor.Read(readBuff); // 校驗資料，校驗方法見資料手冊第五頁 // 校驗位=溼度高位+溼度低位+溫度高位+溫度低位 if ((readBuff[4] == ((readBuff[0] + readBuff[1] + readBuff[2] + readBuff[3]) & 0xFF))) { // 溫度小數位的範圍在0-9，所以與上0x7F即可 double temp = readBuff[2] + (readBuff[3] & 0x7F) * 0.1; // 溫度小數位第8個bit為1則表示取樣得出的溫度為負溫 temp = (readBuff[3] & 0x80) == 0 ? temp : -temp; double humi = readBuff[0] + readBuff[1] * 0.1; _temperature = temp; _humidity = humi; } else { _temperature = double.NaN; _humidity = double.NaN; } } }在 Program.cs 中，將主函式程式碼替換如下：
static void Main(string[] args) { I2cConnectionSettings settings = new I2cConnectionSettings(1, Dht12.DefaultI2cAddress); UnixI2cDevice device = new UnixI2cDevice(settings); using (Dht12 dht = new Dht12(device)) { while (true) { Console.WriteLine($"Temperature: {dht.Temperature.ToString("0.0")} °C, Humidity: {dht.Humidity.ToString("0.0")} %"); Thread.Sleep(2000); } } }釋出、拷貝、更改許可權、執行
效果圖
備註
下一篇文章將談談 SPI 的使用。