OpenHarmony啃论文俱乐部——几种常见串行通信(I2C部分）

OpenHarmony啃论文俱乐部——几种常见串行通信(I2C部分）

我们在OpenHarmony成长计划啃论文俱乐部里，与华为、软通动力、润和软件、拓维信息、深开鸿等公司一起，学习和研究操作系统

【本期看点】

主题：《老子到此一游系列》之 老子找到了一条路

一、概述

​ I2C协议提供了无数据丢失的轻松通信。与其他协议相比，它还提供了极好的速度。I2C仅使用两根导线进行通信。信息技术重量轻、经济且无所不在。它还提高了数据传输速率。开发该协议的目的是获得高速通信，控制设备内部的寄存器以及可以保存在寄存器上的数据，通过这一点，我们能够控制各种参数。I2C用于数据监控，以提高准确性和效率。该设计方法采用VHDL语言开发，在MODELSIM或Xilinx上进行仿真，并可在FPGA板上实现

关键词：I2C协议、数据监控、VHDL、ModelSim、SDA、SCL

​ 使用串行接口设计有很多原因，许多更重要的应用包括串行通信，如传感器与个人计算机的通信。许多常见的嵌入式系统外围设备，如anolog到数字和数字到anlaog转换器、LCD和温度传感器，都支持串行接口。串行接口允许处理器进行通信，而不需要共享内存，也不需要它们可能造成的问题。串行通信协议有UART、CAN、USB、SPI、INTERIC等。USB、SPI和UART都只是一种类型对点协议。USB使用多路复用器与其他设备通信。只有I2C和CAN协议使用软件寻址。但只有I2C设计简单，易于维护。

	UART	CAN	USB	SPI	I2C
性能	操作简单	安全迅速	安全、快速、即插即用	快速、低成本、普遍接受的大型设备间组合	简单、即插即用、经济高效、普遍接受
面向连接的网络服务	功能有限，点对点	复杂、有限的产品组合、面向汽车	需要强大的主控，无需即插即用软件，需要额外的驱动程序	没有即插即用硬件，没有固定的标准	由于电容效应，组件数量有限

二、介绍

​ 随着时间的推移，集成电路的物理尺寸和功耗要求都在降低。其主要原因是，更多的晶体管可以集成到更小的尺寸中，而集成电路之间的互连线数量可能会更少。集成电路的实际电路比集成电路的封装小得多，但由于集成电路之间存在互连线，因此需要更大的覆盖面积

I2C系统基本框图

​ 通过使用I2C，即内部集成电路总线，可以降低这些布线要求。这种通信有一个特殊的协议，即I2C协议。I2C总线实际上由两条活动导线和一个接地连接组成。这两条活动导线即串行时钟[SCL]和串行数据[SDA]。这些电线本质上是双向半双工的，在连接到总线的设备之间传输信息。每个设备都通过一个唯一的地址进行确认，无论它是微控制器、LCD驱动器、存储器还是键盘接口，并且可以作为发射器或接收器工作，具体取决于设备的功能。在i2c总线中，可以方便地添加或删除设备，这对于嵌入式系统中的低维护和控制应用非常有用

基本术语

​ 从物理上讲，I²C总线由两条活动导线SDA和SCL以及一个接地连接组成（参见图4）。活动导线都是双向的。I2C协议规范规定，在总线上发起数据传输的IC被视为总线主机。因此，在当时，所有其他IC都被视为总线从机。

三、I2C协议规则

I2C的组件：I2C主顶部由预刻度寄存器、命令寄存器、状态寄存器、发送寄存器和接收寄存器组成。

①预刻度寄存器：用于通过整数除法将高频电信号降低到较低的频率。

②数据最初进入状态寄存器，命令寄存器根据它发出命令。

③发送和接收寄存器决定是发送还是接收数据，该数据与数据I\O寄存器并行传输——I²C主字节控制器是字节命令控制器和数据I\O移位寄存器。字节命令控制器是字节级I²C通信流量的核心，是一个基于命令寄存器位生成不同I²C字节操作状态的状态机。

④数据I\O移位寄存器是一个组件，它包含并处理与当前I²C写和读事务相关的数据。

⑤I²C主位控制器包括时钟发生器和位命令控制器。在传输过程中，数据逐位转移到命令位控制器中，并从那里传输到SDA。在接收过程中，数据通过SDA传输到位控制器

I²C通信中的组件

四、工作原理

I2C通信的不同阶段如下所述

4.1启动和停止条件

对应的代码片段

void Start_BH1750(void)
{
    WifiIotI2cData bh1750_i2c_data = { 0 };
    uint8_t send_data[1] = { 0x10 };
    bh1750_i2c_data.sendBuf = send_data;
    bh1750_i2c_data.sendLen = 1;
	I2cWrite(WIFI_IOT_I2C_IDX_1,(BH1750_Addr<<1)|0x00,&bh1750_i2c_data); 
}

4.2. 将字节传输到从设备

​ 发送启动条件后，主设备可以将一个字节传输到从设备。启动条件后的第一个字节将识别总线上的从机（地址），并选择操作模式。以下所有字节的含义取决于从属字节。

4.3. 从从设备接收字节

​ 一旦从机被寻址并且从机确认了这一点，如果地址中的R/W位被设置为读取（设置为“1”），则可以从从从机接收一个字节。

4.4 .从从属设备获取确认（ACK）

​ 当一个地址或数据字节被传输到总线上时，从机必须对此进行确认。在地址的情况下，如果该地址与其自己的地址匹配，则该从机和只有该从机将用ACK响应该地址。如果一个字节被传输到一个已经寻址的从机，该从机也将用ACK进行响应。

4.5. 从从设备发出确认（ACK）

​ 从设备接收字节后，主设备必须向从设备确认。如果没有数据可供接收，主机将发送一个不确认（NACK）信号并停止数据事务。

代码片段

void E53_IA1_Read_Data(void)
{
    Start_BH1750(); // 启动传感器采集数据
	usleep(180000);
    WifiIotI2cData bh1750_i2c_data = { 0 };
    uint8_t recv_data[2] = { 0 };
    bh1750_i2c_data.receiveBuf = recv_data;
    bh1750_i2c_data.receiveLen = 2;
	I2cRead(WIFI_IOT_I2C_IDX_1, (BH1750_Addr<<1)|0x01,&bh1750_i2c_data);   // 读取传感器数据
	E53_IA1_Data.Lux = (float)(((recv_data[0]<<8) + recv_data[1])/1.2);   

    uint8_t  data[3];    //data array for checksum verification
    uint16_t dat,tmp;
    uint8_t SHT3X_Data_Buffer[6]; 																		//byte 0,1 is temperature byte 4,5 is humidity
    
    WifiIotI2cData sht30_i2c_data = { 0 };
    uint8_t send_data[2] = { 0xE0,0x00};
    sht30_i2c_data.sendBuf = send_data;
    sht30_i2c_data.sendLen = 2;
    sht30_i2c_data.receiveBuf = SHT3X_Data_Buffer;
    sht30_i2c_data.receiveLen = 6;
	I2cWriteread(WIFI_IOT_I2C_IDX_1,(SHT30_Addr<<1)|0x00,&sht30_i2c_data); 																							//Read bh1750 sensor data 
    
    //    /* check tem */
    data[0] = SHT3X_Data_Buffer[0];
    data[1] = SHT3X_Data_Buffer[1];
    data[2] = SHT3X_Data_Buffer[2];

    tmp=SHT3x_CheckCrc(data, 2, data[2]);
    if( !tmp ) /* value is ture */
    {
        dat = ((uint16_t)data[0] << 8) | data[1];
        E53_IA1_Data.Temperature = SHT3x_CalcTemperatureC( dat );    
    }
    
    //    /* check humidity */
    data[0] = SHT3X_Data_Buffer[3];
    data[1] = SHT3X_Data_Buffer[4];
    data[2] = SHT3X_Data_Buffer[5];

    tmp=SHT3x_CheckCrc(data, 2, data[2]);
    if( !tmp ) /* value is ture */
    {
        dat = ((uint16_t)data[0] << 8) | data[1];
        E53_IA1_Data.Humidity = SHT3x_CalcRH( dat );    
    }
    	    
}

4.6. 过程算法

五、I2C的特点

1. 它是多主机串行端计算机总线
2. I2C具有双线双向串行总线
3. 它是一种简单有效的数据交换方法
4. I2C协议具有较低的带宽
5. 它是一种短距离协议

六、I2C的优势

1. 用于传感器连接、RFID、生物识别设备等安全敏感应用
2. 微控制器和传感器之间的通用通信标准
3. 每个设备都可以通过其唯一地址识别，并且可以作为发射器或接收器工作，具体取决于设备的功能
4. 它提供增强的安全系统
5. 与FPGA兼容

七、结论

​ 理想的I2C监控体系结构将具有以下特点：高性能、灵活性、易于升级、低开发成本，以及随着应用程序的成熟和容量的增加，向低成本的迁移路径。FPGA与功能丰富的数据和图像处理套件、IP数据参考设计以及合作伙伴的压缩解决方案相结合，为数据系统设计师提供了生产此类系统所需的所有关键构建块。

参考文献

[1]Mankar J, Darode C, Trivedi K, et al. Review of I2C protocol[J]. International Journal of Research in Advent Technology, 2014, 2(1).