RT-Thread I2C总线设备（学习）
I2C简介
I2C（Inter Intergrated Circuit）总线是PHILIPS公司开发的一种半双工、双向二线制同步串行总线。
I2C总线传输只需两根信号线，一根是双向数据线SDA（serial data），另一根是双向时钟线SCL（serial clock）。
SPI总线有两根线分别用于主从设备之间接收数据和发送数据，而I2C总线只使用一根线进行数据收发。
I2C和SPI一样以主从的方式工作，不同于SPI一主多从的结构，它允许同时有多个主设备存在，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址。
主设备启动数据传输并产生时钟信号，从设备被主设备寻址，同一时刻只允许有一个主设备。
如下图所示为I2C总线主要的数据传输格式：
当总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态，当主机要和某个从机通讯时，会先发送一个开始条件，然后发送从机地址和读写控制位，接下来传输数据（主机发送或者接收数据），数据传输结束时主机会发送停止条件。
传输的每个字节为8位，高位在前，低位在后。
- 开始条件：SCL为高电平时，主机将SDA拉低，表示数据传输即将开始。
- 从机地址：主机发送的第一个字节为从机地址，高7位为地址，最低位为R/W读写控制位，1表示读操作，0表示写操作。一般从机地址有7位地址模式和10位地址模式两种，如果是10位地址模式，第一个字节的头7位是11110XX的组合，其中最后两位（XX）是10位地址的两个最高位，第二个字节为10位从机地址的剩下8位，如下图所示：
- 应答信号：每传输完成一个字节的数据，接收方就需要回复一个ACK（acknowledge）。写数据时由从机发送ACK，读数据时由主机发送ACK。当主机读到最后一个字节数据时，可发送NACK（Not acklowdge）然后跟停止条件。
- 数据：从机地址发送完后可能会发送一些指令，依从机而定，然后开始传输数据，由主机或者从机发送，每个数据为8位，数据的字节数没有限制。
- 重复开始条件：在一次通信过程中，主机可能需要和不同的从机传输数据或者需要切换读写操作时，主机可以再发送一个开始条件。
- 停止条件：在SDA为低电平时，主机将SCL拉高并保持高电平，然后再将SDA拉高，表示传输结束。
访问I2C总线设备
一般情况下MCU的I2C器件都是作为主机和从机通讯，在RT-Thread中将I2C主机虚拟为I2C总线设备，I2C从机通过I2C设备接口和I2C总线通讯。
在使用I2C总线设备前需要根据I2C总线设备名称获取设备句柄，进而才可以操作I2C总线设备，查找设备函数如下所示：
rt_device_t rt_device_find(const char* name);
一般情况下，注册到系统的I2C设备名称为i2c0，i2c1等，使用示例如下所示：
#define AHT10_I2C_BUS_NAME "i2c1" /*传感器连接的I2C总线设备名称*/
struct rt_i2c_bus_device *i2c_bus; //I2C总线设备句柄
/*查找I2C总线设备，获取I2C总线设备句柄*/
i2c_bus = (struct rt_i2c_bus_device *)rt_device_find(name);
数据传输
获取到I2C总线设备句柄可以使用rt_i2c_transfer()进行数据传输。
rt_size_t rt_i2c_transfer(struct rt_i2c_bus_device *bus,
struct rt_i2c_msg msgs[],
rt_uint32_t num);
- bus：I2C总线设备句柄。
- msgs[]：待传输的消息数组指针。
- num：消息数组的元素个数。
- 返回消息数组的元素个数-成功；错误码-失败。
和SPI总线的自定义传输接口一样，I2C总线的自定义传输接口传输的数据也是以一个消息为单位。
参数msgs[]指向待传输的消息数组，用户可以自定义每条消息的内容，实现I2C总线所支持的2种不同的数据传输模式。
如果主设备需要发送重复开始条件，则需要发送2个消息。
struct rt_i2c_msg
{
rt_uint16_t addr; //从机地址
rt_uint16_t flags; //读写标志灯
rt_uint16_t len; //读写数据字节数
rt_uint8_t *buf; //读写数据缓冲区指针
}
从机地址 addr：支持 7 位和 10 位二进制地址，需查看不同设备的数据手册 。
#define RT_I2C_WR 0x0000 /* 写标志，不可以和读标志进行“|”操作 */
#define RT_I2C_RD (1u << 0) /* 读标志，不可以和写标志进行“|”操作 */
#define RT_I2C_ADDR_10BIT (1u << 2) /* 10 位地址模式 */
#define RT_I2C_NO_START (1u << 4) /* 无开始条件 */
#define RT_I2C_IGNORE_NACK (1u << 5) /* 忽视 NACK */
#define RT_I2C_NO_READ_ACK (1u << 6) /* 读的时候不发送 ACK */
#define RT_I2C_NO_STOP (1u << 7) /* 不发送结束位 */
#define AHT10_I2C_BUS_NAME "i2c1" /* 传感器连接的I2C总线设备名称 */
#define AHT10_ADDR 0x38 /* 从机地址 */
struct rt_i2c_bus_device *i2c_bus; /* I2C总线设备句柄 */
/* 查找I2C总线设备，获取I2C总线设备句柄 */
i2c_bus = (struct rt_i2c_bus_device *)rt_device_find(name);
/* 读传感器寄存器数据 */
static rt_err_t read_regs(struct rt_i2c_bus_device *bus, rt_uint8_t len, rt_uint8_t *buf)
{
struct rt_i2c_msg msgs;
msgs.addr = AHT10_ADDR; /* 从机地址 */
msgs.flags = RT_I2C_RD; /* 读标志 */
msgs.buf = buf; /* 读写数据缓冲区指针 */
msgs.len = len; /* 读写数据字节数 */
/* 调用I2C设备接口传输数据 */
if (rt_i2c_transfer(bus, &msgs, 1) == 1)
{
return RT_EOK;
}
else
{
return -RT_ERROR;
}
}
I2C从设备数据读写API
以下两个读写函数封装自rt_i2c_transfer()函数，用于读写I2C从设备的数据，更加简单易用，推荐使用。
向I2C从设备发送数据：
rt_size_t rt_i2c_master_send(struct rt_i2c_bus_device *bus,
rt_uint16_t addr,
rt_uint16_t flags,
const rt_uint8_t *buf,
rt_uint32_t count);
- bus：I2C总线设备句柄。
- addr：I2C从设备地址。
- flags：标志位，可为上文提到的除 RT_I2C_WR RT_I2C_RD之外的其他标志位，可以进行 “|” 操作。
- buf：待发送数据缓冲区。
- count：待发送数据大小。
从I2C从设备读取数据，数据会放在缓冲区中：
rt_size_t rt_i2c_master_recv(struct rt_i2c_bus_device *bus,
rt_uint16_t addr,
rt_uint16_t flags,
rt_uint8_t *buf,
rt_uint32_t count);
- bus：I2C总线设备句柄。
- addr：I2C从设备地址。
- flags：标志位，可为上文提到的除RT_I2C_WR RT_I2C_RD之外的其它标志位，可以进行“|”操作。
- buf：数据缓冲区。
- count：缓冲区大小（单位：字节，要大于等于最大接收到的数据长度）。
Tips
有时，I2C数据需要通过多次函数拼接而成，通过如下方法，可以实现拼接发送一条I2C数据，数据内容为prefix_buffer+buffer;
rt_i2c_master_sned(_i2c_bus_dev, _addr, RT_I2C_NO_STOP, prefix_buffer,prefix_len); //只发送起始位，不发送停止位。
rt_i2c_master_sned(_i2c_bus_dev, _addr, RT_I2C_NO_START, buffer,len); /*不发送起始位，只发送停止位*/
I2C总线设备使用示例
- 首先根据i2c设备名称查找I2C设备，获取设备句柄，然后初始化aht10传感器。
- 控制传感器的两个函数为写传感器寄存器write_reg()和读传感器寄存器read_regs()，这两个函数分别调用了rt_i2c_transfer()传输数据。读取温湿度信息的函数read_temp_humi()则是调用这两个函数完成功能。
//导出了i2c_aht10_sample命令到控制终端
//命令调用格式：i2c_aht10_sample i2c1
//命令解释：命令第二个参数是要使用的I2C总线设备名称，为空则使用默认的I2C总线设备
//通过I2C设备读取温湿度传感器，aht10的温湿度数据并打印
#include