文章目录

  • 前言
  • 1、IIC协议和SMBUS协议
    • 1.1、IIC协议
      • 1.1.1、硬件框架
      • 1.1.2、软件框架
      • 1.1.3、读写数据格式
      • 1.1.4、硬件结构--在硬件上是如何实现双向传输
    • 1.2、SMBUS协议
      • 1.2.1、SMBus和I2C协议的差异
      • 1.2.2、SMBus协议明确了数据的传输格式
        • symbols符号
        • SMBus Quick Command
        • SMBus Receive Byte
        • SMBus Send Byte
        • SMBus Read Byte
        • SMBus Read Word
        • SMBus Write Byte
        • SMBus Write Word
        • SMBus Block Read
        • SMBus Block Write
        • I2C Block Read
        • I2C Block Write
        • SMBus Block Write - Block Read Process Call
        • Packet Error Checking (PEC)
    • 1.3、使用建议
  • 2、I2C系统的重要结构体
    • 2.1、几个重要的结构体_映射到I2C通信需要的一些单元和数据
      • 2.1.1、怎么表示I2C Controller
      • 2.1.2、怎么表示I2C Device
      • 2.1.3、怎么表示要传输的数据
  • 2.2、总结一下内核里是怎么传输数据的
  • 3、无需编写驱动直接访问设备_I2C-Tools介绍
    • 3.1、交叉编译
      • 3.1.1、不使用静态库
      • 3.1.2、使用静态库
    • 3.2、用法
      • 3.2.1、i2cdetect：I2C检测
      • 3.2.2、i2cget：I2C读
      • 3.2.3、i2cset：I2C写
      • 3.2.4、i2ctransfer：I2C传输(不是基于SMBus)
      • 3.2.5、i2cdump：设备0x00~0xFF地址数据的读出
    • 3.3、使用I2C-Tools操作传感器AP3216C
    • 3.4、I2C-Tools的访问I2C设备的2种方式
  • 4、功能实现流程图
    • 4.1、I2C方式
    • 4.2、SMBus方式
  • 5、编写APP直接访问AP3216C
    • 5.1、AP3216C寄存器列表、控制命令及工作信息
      • 5.1.1、软件复位 (100)
      • 5.1.2、 ALS 和 PS + IR 功能一次 (111)
      • 5.1.3、传感器数据寄存器
        • 红外数据寄存器
        • 环境光传感器数据寄存器
        • 环境光传感器校准寄存器
        • 环境光传感器配置寄存器
        • 距离传感器数据寄存器
        • 距离传感器配置寄存器
        • 距离传感器LED控制寄存器
        • 距离传感器中断模式寄存器
        • 距离传感器积分时间寄存器
        • 距离传感器LED等待时间寄存器
        • 距离传感器校准寄存器
    • 5.2、程序分析
  • 参考资料

前言

韦东山嵌入式Linux应用开发基础知识学习笔记
文章中大多内容来自韦东山老师的文档，还有部分个人根据自己需求补充的内容

视频教程地址： https://www.bilibili.com/video/BV1kk4y117Tu

1、IIC协议和SMBUS协议

1.1、IIC协议

1.1.1、硬件框架

▲硬件框架图

  • 在一个芯片(SoC)内部，有一个或多个I2C控制器
  • 在一个I2C控制器上，可以连接一个或多个I2C设备
  • I2C总线只需要2条线：时钟线SCL、数据线SDA
  • 在I2C总线的SCL、SDA线上，都有上拉电阻

1.1.2、软件框架

▲软件框架

  1. APP：调用设备驱动程序提供的接口读写指定位置内容
  2. I2C Devices Driver：
      知道设备要求的地址和数据格式
      知道什么样的信号可以让设备执行指定操作
      知道什么样的信号代表着设备的一些状态
      根据APP要求构造好一系列数据发送给I2C Controller
  3. I2C Controller Driver：
      它根据I2C协议发出各类信号：I2C设备地址、I2C存储地址、数据
      它根据I2C协议判断各类信号：I2C设备地址、I2C存储地址、数据

1.1.3、读写数据格式

写操作

  • 主芯片要发出一个start信号
  • 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
  • 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
  • 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
  • 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
  • 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

▲写操作

读操作

  • 主芯片要发出一个start信号
  • 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
  • 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
  • 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
  • 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
  • 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

▲读操作

IIC信号分类
  I2C协议中数据传输的单位是字节，也就是8位。但是要用到9个时钟：前面8个时钟用来传输8数据，第9个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。

  • 开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA山高电平向低电平跳变，开始传送数据。
  • 结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
  • 响应信号(ACK)：接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA
  • SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化

▲I2C协议信号

1.1.4、硬件结构–在硬件上是如何实现双向传输

  • 如何在SDA上实现双向传输？
    主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备，也可以从SDA上读取数据，连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。
  • 主、从设备都可以通过SDA发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？
    在9个时钟里，
    前8个时钟由主设备发送数据的话，第9个时钟就由从设备发送数据；
    前8个时钟由从设备发送数据的话，第9个时钟就由主设备发送数据。
  • 双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响SDA上的数据？
    设备的SDA中有一个三极管，使用开极/开漏电路(三极管是开极，CMOS管是开漏，作用一样)，如

▲主从设备的SDA

A B SDA
0 0 1（由上拉电阻决定）
0 1 0
1 0 0
1 1 0

▲真值表

从真值表和电路图我们可以知道：

  • 当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动这个三极管
  • 想让SDA输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA通过上拉电阻变为高电平)
  • 想让SDA输出低电平，就驱动三极管

从下面的例子可以看看数据是怎么传的（实现双向传输）
举例：主设备发送（8bit）给从设备

  • 前8个clk
    从设备不要影响SDA，从设备不驱动三极管
    主设备决定数据，主设备要发送1时不驱动三极管，要发送0时驱动三极管第9个clk，由从设备决定数据
  • 主设备不驱动三极管
    从设备决定数据，要发出回应信号的话，就驱动三极管让SDA变为0
    从这里也可以知道ACK信号是低电平
    从上面的例子，就可以知道怎样在一条线上实现双向传输，这就是SDA上要使用上拉电阻的原因

为何SCL也要使用上拉电阻？（为了实现时钟延展功能） I2C时钟延展
在第9个时钟之后，如果有某一方需要更多的时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把SCL拉低。
当SCL为低电平时候，大家都不应该使用IIC总线，只有当SCL从低电平变为高电平的时候，IIC总线才能被使用。
当它就绪后，就可以不再驱动三极管，这是上拉电阻把SCL变为高电平，其他设备就可以继续使用I2C总线了。

1.2、SMBUS协议

SMBus: System Management Bus，系统管理总线。
SMBus是基于I2C协议的，SMBus要求更严格，SMBus是I2C协议的子集。
SMBus和I2C协议的差别有哪些？

1.2.1、SMBus和I2C协议的差异

  • VDD的极限值不一样
       I2C协议：范围很广，甚至讨论了高达12V的情况
       SMBus：1.8V~5V
  • 最小时钟频率、最大的 Clock Stretching
       Clock Stretching含义：某个设备需要更多时间进行内部的处理时，它可以把SCL拉低占住I2C总线
       I2C协议：时钟频率最小值无限制，Clock Stretching时长也没有限制
       SMBus：时钟频率最小值是10KHz，Clock Stretching的最大时间值也有限制
  • 地址回应(Address Acknowledge)
       一个I2C设备接收到它的设备地址后，是否必须发出回应信号？
       I2C协议：没有强制要求必须发出回应信号
       SMBus：强制要求必须发出回应信号，这样对方才知道该设备的状态：busy，failed，或是被移除了
  • SMBus协议明确了数据的传输格式
       I2C协议：它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义
       SMBus：定义了几种数据格式(后面分析)
  • REPEATED START Condition(重复发出S信号)
       比如读EEPROM时，涉及2个操作：
          把存储地址发给设备
          读数据
       在写、读之间，可以不发出P信号，而是直接发出S信号：这个S信号就是 REPEATED START
       如下图所示

▲REPEATED START Condition(重复发出S信号)

  • SMBus Low Power Version
      SMBus也有低功耗的版本

1.2.2、SMBus协议明确了数据的传输格式

对于I2C协议，它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义。
对于SMBus协议，它定义了几种数据格式。

  • 下面文档中的 Functionality flag 是Linux的某个I2C控制器驱动所支持的功能。
  • 比如 Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK ，表示需要I2C控制器支持 SMBus Quick Command

symbols符号

S (1 bit) :                  Start bit(开始位)
Sr (1 bit) :                重复的开始位
P (1 bit) :                     Stop bit(停止位)
R/W# (1 bit) :          Read/Write bit. Rd equals 1, Wr equals 0.(读写位)
A, N (1 bit) :          Accept and reverse accept bit.(回应位)
Address(7 bits):    I2C 7 bit address. Note that this can be expanded as usual to get a 10 bit I2C address.(地址位，7位地址)
Command Code (8 bits): Command byte, a data byte which often selects a register on the device.(命令字节，一般用来选择芯片内部的寄存器)
Data Byte (8 bits):                 A plain data byte. Sometimes, I write DataLow, DataHigh for 16 bit data.(数据字节，8位；如果是16位数据的话，用2个字节来表示：DataLow、DataHigh)
Count (8 bits):                         A data byte containing the length of a block operation.(在block操作总，表示数据长度)
[..]:                                           Data sent by I2C device, as opposed to data sent by the host adapter.(中括号表示I2C设备发送的数据，没有中括号表示host adapter发送的数据)

SMBus Quick Command

▲ SMBus Quick Command

只是用来发送一位数据：R/W#可以用来表示设备的开关
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK

SMBus Receive Byte

▲SMBus Receive Byte

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_read_byte()
读取一个字节，Host adapter接收到一个字节后不需要发出回应信号(上图中N表示不回应)
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE

SMBus Send Byte

▲SMBus Send Byte

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_write_byte()
发送一个字节
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE

SMBus Read Byte

▲SMBus Read Byte

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_read_byte_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再读取一个字节的数据
上面介绍的 SMBus Receive Byte 是不发送Comand，直接读取数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA

SMBus Read Word

▲SMBus Read Word

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_read_word_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再读取2个字节(一个字)的数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_WORD_DATA

SMBus Write Byte

▲SMBus Write Byte

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_write_byte_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出1个字节的数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE_DATA

SMBus Write Word

▲SMBus Write Word

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_write_word_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出2个字节(1个字)的数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_WORD_DATA

SMBus Block Read

▲SMBus Block Read

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_read_block_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发起度操作：
  先读到一个字节(Block Count)，表示后续要读的字节数
  然后读取全部数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

SMBus Block Write

▲SMBus Block Write I2C-tools中的函数：`i2c_smbus_write_block_data()` 先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出1个字节的 Byte Conut (表示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据 `Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BLOCK_DATA`

I2C Block Read

在一般的I2C协议中，也可以连续读出多个字节。
它跟 SMBus Block Read 的差别在于设备发出的第1个数据不是长度N，如下图所示：

▲I2C Block Read

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_read_i2c_block_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出1个字节的 Byte Conut (表示后续
要发出的数据字节数)，最后发出全部数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_I2C_BLOCK

I2C Block Write

在一般的I2C协议中，也可以连续发出多个字节。
它跟 SMBus Block Write 的差别在于发出的第1个数据不是长度N，如下图所示：

▲I2C Block Write

I2C-tools中的函数：i2c_smbus_write_i2c_block_data()
先发出 Command Code (它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出1个字节的 Byte Conut (表示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK

SMBus Block Write - Block Read Process Call

▲SMBus Block Write - Block Read Process Call

先写一块数据，再读一块数据
Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL

Packet Error Checking (PEC)

CRC校验详解（附代码示例）
PEC是一种错误校验码，如果使用PEC，那么在P信号之前，数据发送方要发送一个字节的PEC码(它是CRC-8码)。
以 SMBus Send Byte 为例，下图中，一个未使用PEC，另一个使用PEC：

▲Packet Error Checking (PEC)

1.3、使用建议

因为很多设备都实现了SMBus，而不是更宽泛的I2C协议，所以优先使用SMBus。
即使I2C控制器没有实现SMBus，软件方面也是可以使用I2C协议来模拟SMBus。
所以：Linux建议优先使用SMBus。

2、I2C系统的重要结构体

使用一句话概括I2C传输：APP通过I2C Controller与I2C Device传输数据。

2.1、几个重要的结构体_映射到I2C通信需要的一些单元和数据

2.1.1、怎么表示I2C Controller

  • 一个芯片里可能有多个I2C Controller，比如第0个、第1个、……
  • 对于使用者，只要确定是第几个I2C Controller即可
  • 使用i2c_adapter表示一个I2C BUS，或称为I2C Controller
  • i2c_adapter里面有2个重要的成员：
      nr：第几个I2C BUS(I2C Controller)
      i2c_algorithm，里面有该I2C BUS的传输函数，用来收发I2C数据

▲i2c_adapter

▲i2c_algorithm

2.1.2、怎么表示I2C Device

  • 一个I2C Device，一定有设备地址
  • 它连接在哪个I2C Controller上，即对应的i2c_adapter是什么
  • 使用i2c_client来表示一个I2C Device

▲i2c_client

2.1.3、怎么表示要传输的数据

  • 在上面的i2c_algorithm结构体中可以看到要传输的数据被称为：i2c_msg

▲i2c_msg

   flags用来表示传输方向：bit 0等于I2C_M_RD表示读，bit 0等于0表示写