树莓派学习笔记 ——I2C PCF8574 SysFs方式

1.前言

    树莓派的GPIO端口数量有限，可通过IO扩展芯片增加GPIO的数量，使得树莓派可以适应更多的应用。PCF8574为一款通过I2C总线扩展IO的芯片，单个PCF8574可扩展8个IO，一个I2C总线最多可挂载8个PCF8574，所以树莓派最多可扩展64个IO。

    树莓派扩展功能的开发方法有很多，例如wiringPi和bcm2835 C library都提供I2C API函数。这些集成库封装了linux平台I2C的相关操作，如果想回归linux驱动应用设计的本质可 使用sysfs方式。Sysfs 是 Linux 2.6 所提供的一种虚拟文件系统。这个文件系统不仅可以把设备（devices）和驱动程序(drivers) 的信息从内核输出到 用户空间，也可以用来对设备和驱动程序做设置【引用自维基百科】。

2.相关博文

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3.PCF8574使用简述

    PCF8574的采用7位I2C地址，7位I2C地址中的低3位从高到低分别为A2 A1和A0，该3位为地址选择位，若地址选择全部接GND，那么PCF8574的I2C从机地址为0x20。图1为PCF8574的基本信息，左侧为芯片内部结构示意图，其中A2 A1和A0决定从机地址而从机地址直接影响I2C总线控制器，右侧上部为PCF8574引脚图，右侧下部为I2C从机地址组成示意图，从机地址的高4位为0100，该4位数字固定不变。

图1 PCF8574基本信息

    请注意I2C 7位从机地址和I2C 读控制字或i2C写控制器存在联系与区别，对于7位从机地址为0x20的PCF8574而言，读控制字为0x41，写控制字为0x40。若使用GPIO通过软件法模拟I2C时序时，通常把写控制字0x40定义为I2C从机地址，软件模拟时的I2C地址（0x40）和I2C 7位从机地址（0x41）存在区别。

    PCF8574内部含有8个准双向IO， 对PCF8574进行一次写操作可修改IO口的输出状态，对PCF8574进行一次读操作可获取IO口的输入状态。I2C总线的操作较为复杂，各芯片之间的差异较大，例如BH1750、AT24C04和ADXL345虽然均使用I2C接口，但是细节之处存在差异较大。

图2 PCF8574读写时序

4.代码实现——c语言

    新建一个名为pcf8574.c的文件

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <errno.h>
#define I2C_ADDR 0x20
int main (void) {
    int i,value;
    int fd;
   
    // 打开设备，树莓派版本2位于i2c-1
    fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        printf("Error opening file: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    // 设置I2C从设备地址
    if (ioctl(fd, I2C_SLAVE, I2C_ADDR) < 0) {
        printf("ioctl error: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    while(1){
        for( i = 0 ; i < 4 ; i++ ){
           
            // 向PCF8574写入一个字节内容，实现流水灯
            value = (1<<i);
            if( write( fd , &value, 1 ) != 1) {
                printf("Error writing file: %s\n", strerror(errno));
            }
           
            // 延时100ms，usleep的延时单位为1us
            usleep(100000);
        }
    }
   
    return 0;
}

编译和执行

    gcc -o pcf8574 pcf8574.c

    sudo ./pcf8574

代码解释

fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR); 

    打开设备，树莓派版本2的I2C设备位于i2c-1，打开方式为可读可写。如果打开失败那么文件句柄fd为一个负数。

ioctl(fd, I2C_SLAVE, I2C_ADDR) ;

    设置I2C从设备地址，此时PCF8574的从机地址为0x20。I2C总线上可以挂在多个设备，如果需要同时操作多个I2C设备，那么使用open获得的文件句柄fd是不同的，其实文件句柄fd可以理解成一个设备的编号，不同的设备编号不同。

write( fd , &value, 1 );

    向PCF8574写入一个字节，value便是写入的内容，写入的长度为1.PCF8574内部只有一个寄存器，写该寄存器可以设置IO输出状态，读该寄存器可以获得IO输入状态。具体过程请见图2——PCF8574读写时序。与write函数对应的为read函数。其他的I2C操作函数好包括：

    【1】写入一个字节，不需要寄存器地址

  __s32 i2c_smbus_read_byte(int file);

    【2】读取一个字节，不需要寄存器地址

  __s32 i2c_smbus_write_byte(int file, __u8 value);

    【3】读取一个字节，需要写入寄存器地址

  __s32 i2c_smbus_read_byte_data(int file, __u8 command);

    【4】写入一个字节，需要写入寄存器地址

  __s32 i2c_smbus_write_byte_data(int file, __u8 command, __u8 value);

    【5】读取多个字节，需要写入寄存器起始地址

  __s32 i2c_smbus_read_block_data(int file, __u8 command, __u8 *values);

    【6】写入多个字节，需要写入寄存器起始地址

  __s32 i2c_smbus_write_block_data(int file, __u8 command, __u8 length, __u8 *values);

6.总结

    突然发现linux驱动部分与I2C设备的相关的函数还不少，这些函数又和I2C设备的操作仅仅关联。请各位期待后面的博客吧。

7.参考资料

【 linux内核：I2C说明】