12. I2C通讯

本章介绍在应用层中使用I2C总线与外部设备的通讯，讲解Linux系 统总线类型设备驱动架构的应用。

在Linux内核文档的Documentation/i2c目录下有关于I2C驱动非常详细的说明。

12.1. 使能IIC通信接口

板子上的MPU6050连接到了STM32MP157的I2C 1接口，开发板上默认开启i2c1和i2c2。 打开/boot/uEnv.txt文件查看是否启用了i2c相关设备设备树插件， 本章重点是使用i2c控制器，MPU6050为挂载在I2C上的一个器件。

如下图:

未找到图片

12.1.1. 检查IIC 设备

使能IIC_1通信接口后，我们可以通过系统中的IIC设备文件来检查设备的一些基本信息， 下面简单介绍几个查看命令。

查看系统存在的I2C总线，如下所示，不同版本的Debian系统输出内容可能有差别。

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root@npi:~# ls  /sys/bus/i2c/devices
0-005d  1-001a  1-0039  i2c-0  i2c-1
root@npi:~#

IIC 1接口对应的驱动设备文件为上图中的i2c-0，这是因为驱动是从0开始编号的。 因此应用程序一般通过操作设备文件i2c-0实现对MPU6050的操作。不止MPU6050， 理论上任何连接到 IIC 1 接口上的设备（触摸、摄像头、oled）都可以通过 i2c-0 设备文件来实现具体的功能。

12.2. IIC 第三方工具- i2c-tools

使用i2c-tools工具包提供了一些非常方便的工具来对系统的I2C总线进行调试， 在开发板的终端中可直接执行以下命令进行安装：

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sudo apt install i2c-tools -y

安装后可使用的命令有i2cdetect、i2cdump、i2cset以及i2cget,用于扫描I2C总线上的设备、读写指定设备的寄存器等。

查看挂载在i2c1上的器件情况，输出内容如下所示：

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root@npi:~# i2cdetect -a 0
WARNING! This program can confuse your I2C bus, cause data loss and worse!
I will probe file /dev/i2c-0.
I will probe address range 0x00-0x7f.
Continue? [Y/n] y
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
root@npi:~#

其中 “68” 是为MPU6050的设备地址，常用的命令还有以下几个。

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#检测当前系统有几组i2c总线
i2cdetect -l

#查看i2c-0接口上的设备
i2cdetect -a 0

#读取指定设备的全部寄存器的值。
i2cdump  -f -y 0 0x68

#读取指定IIC设备的某个寄存器的值，如下读取地址为0x68器件中的0x01寄存器值。
i2cget -f -y 0 0x68 0x01

#写入指定IIC设备的某个寄存器的值，如下设置地址为0x68器件中的0x01寄存器值为0x6f；
i2cset -f -y 0 0x68 0x01 0x6f

12.3. 读取陀螺仪传感器数据实验

12.3.1. 实验说明

本教程将通过IIC接口读取板载陀螺仪(MPU6050)的原始数据， 在测试程序中大约每一秒读取并显示一次MPU6050的原始数据。

查看IIC设备文件，确保IIC 1接口已经使能

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root@npi:~# ls /sys/bus/i2c/devices
i2c-0  i2c-1  i2c-4
root@npi:~#

其中“i2c-0”就是MPU6050使用到的 IIC 1接口总线。

12.3.2. ioctl函数

在编写应用程序时需要使用ioctl函数设置i2c相关配置，其函数原型如下

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 #include <sys/ioctl.h>

 int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

其中对于终端request的值常用的有以下几种

I2C_RETRIES

设置收不到ACK时的重试次数，默认为1

I2C_TIMEOUT

设置超时时限的jiffies

I2C_SLAVE

设置从机地址

I2C_SLAVE_FORCE

强制设置从机地址

I2C_TENBIT

选择地址长度0为7位地址，非0为10位

12.3.3. 编写应用程序

根据ioctl相关参数即可编写与i2c相关的接口函数，读取mpu6050原始数据程序如下

代码仓库/Source/i2c_mpu6050/i2c_mpu6050.c
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#include <linux/i2c.h>
#include <linux/i2c-dev.h>

#include <sys/ioctl.h>

/*寄存器地址*/
#define SMPLRT_DIV      0x19
#define PWR_MGMT_1      0x6B
#define CONFIG          0x1A
#define ACCEL_CONFIG    0x1C

#define ACCEL_XOUT_H    0x3B
#define ACCEL_XOUT_L    0x3C
#define ACCEL_YOUT_H    0x3D
#define ACCEL_YOUT_L    0x3E
#define ACCEL_ZOUT_H    0x3F
#define ACCEL_ZOUT_L    0x40
#define GYRO_XOUT_H     0x43
#define GYRO_XOUT_L     0x44
#define GYRO_YOUT_H     0x45
#define GYRO_YOUT_L     0x46
#define GYRO_ZOUT_H     0x47
#define GYRO_ZOUT_L     0x48

//从机地址 MPU6050地址
#define Address         0x68

//MPU6050操作相关函数
static int mpu6050_init(int fd,uint8_t addr);
static int i2c_write(int fd, uint8_t addr,uint8_t reg,uint8_t val);
static int i2c_read(int fd, uint8_t addr,uint8_t reg,uint8_t * val);
static short GetData(int fd,uint8_t addr,unsigned char REG_Address);

int main(int argc,char *argv[] )
{
   int  fd;
   fd = I2C_SLAVE;

   //打开相对应的i2c设备
   fd = open("/dev/i2c-0",O_RDWR );
   if(fd < 0)
   {
      perror("/dev/i2c-0");
      exit(1);
   }

   //初始化MPU6050
   mpu6050_init(fd,Address);
   while(1)
   {
      usleep(1000 * 10);
      printf("ACCE_X:%6d\n ", GetData(fd,Address,ACCEL_XOUT_H));
      usleep(1000 * 10);
      printf("ACCE_Y:%6d\n ", GetData(fd,Address,ACCEL_YOUT_H));
      usleep(1000 * 10);
      printf("ACCE_Z:%6d\n ", GetData(fd,Address,ACCEL_ZOUT_H));
      usleep(1000 * 10);
      printf("GYRO_X:%6d\n ", GetData(fd,Address,GYRO_XOUT_H));
      usleep(1000 * 10);
      printf("GYRO_Y:%6d\n ", GetData(fd,Address,GYRO_YOUT_H));
      usleep(1000 * 10);
      printf("GYRO_Z:%6d\n\n ", GetData(fd,Address,GYRO_ZOUT_H));
      sleep(1);
   }

   close(fd);

   return 0;
}

static int mpu6050_init(int fd,uint8_t addr)
{
   i2c_write(fd, addr,PWR_MGMT_1, 0X00);
   i2c_write(fd, addr,SMPLRT_DIV, 0X07);
   i2c_write(fd, addr,CONFIG, 0X06);
   i2c_write(fd, addr,ACCEL_CONFIG, 0X01);

   return 0;
}

static int i2c_write(int fd, uint8_t addr,uint8_t reg,uint8_t val)
{
   int retries;
   uint8_t data[2];

   data[0] = reg;
   data[1] = val;

   //设置地址长度：0为7位地址
   ioctl(fd,I2C_TENBIT,0);


   //设置从机地址
   if (ioctl(fd,I2C_SLAVE,addr) < 0)
   {
      printf("fail to set i2c device slave address!\n");
      close(fd);
      return -1;
   }

   //设置收不到ACK时的重试次数
   ioctl(fd,I2C_RETRIES,5);

   if (write(fd, data, 2) == 2)
   {
      return 0;
   }
   else
   {
      return -1;
   }

}

static int i2c_read(int fd, uint8_t addr,uint8_t reg,uint8_t * val)
{
   int retries;

   //设置地址长度：0为7位地址
   ioctl(fd,I2C_TENBIT,0);

   //设置从机地址
   if (ioctl(fd,I2C_SLAVE,addr) < 0)
   {
      printf("fail to set i2c device slave address!\n");
      close(fd);
      return -1;
   }

   //设置收不到ACK时的重试次数
   ioctl(fd,I2C_RETRIES,5);

   if (write(fd, &reg, 1) == 1)
   {
      if (read(fd, val, 1) == 1)
      {
            return 0;
      }
   }
   else
   {
      return -1;
   }
}

static short GetData(int fd,uint8_t addr,unsigned char REG_Address)
{
   char H, L;

   i2c_read(fd, addr,REG_Address, &H);
   usleep(1000);
   i2c_read(fd, addr,REG_Address + 1, &L);
   return (H << 8) +L;
}

12.3.4. i2c设备树插件修改

野火STM32MP157提供了很多的设备树插件源码，若想要添加或修改不同的引脚作为i2c总线的引脚， 用户只需要根据相关相对应的设备树插件修改即可。

野火设备树插件GitHub

仓库中提供了i2c1,i2c2的设备树插件， 其中i2c1的设备树插件文件为 stm-fire-i2c1-overlay.dts ，源码如下所示

ebf_linux_kernel/arch/arm/boot/dts/overlays/stm-fire-i2c1-overlay.dts
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/dts-v1/;
/plugin/;
//#include "../stm32mp157c.dtsi"
#include <dt-bindings/pinctrl/stm32-pinfunc.h>
#include <dt-bindings/input/input.h>
#include <dt-bindings/mfd/st,stpmic1.h>
#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>

/{
   fragment@0{
      target=<&i2c1>;
      __overlay__{
         pinctrl-names = "default", "sleep";
         pinctrl-0 = <&i2c1_pins_a>;
         pinctrl-1 = <&i2c1_pins_sleep_a>;
         i2c-scl-rising-time-ns = <100>;
         i2c-scl-falling-time-ns = <7>;
         status = "okay";
         /delete-property/dmas;
         /delete-property/dma-names;
      };
   };
   fragment@1{
      target=<&pinctrl>;
      __overlay__{
         i2c1_pins_a: i2c1-0 {
            pins {
               pinmux = <STM32_PINMUX('F', 14, AF5)>, /* I2C1_SCL */
                   <STM32_PINMUX('F', 15, AF5)>; /* I2C1_SDA */
               bias-disable;
               drive-open-drain;
               slew-rate = <0>;
            };
         };

         i2c1_pins_sleep_a: i2c1-1 {
            pins {
               pinmux = <STM32_PINMUX('F', 14, ANALOG)>, /* I2C1_SCL */
                   <STM32_PINMUX('F', 15, ANALOG)>; /* I2C1_SDA */
            };
         };
      };
   };
};

i2c设备树插件修改相对简单，若想修改其他具有i2c功能的引脚，只需修改设备树插件的第23-24行即可。

12.3.5. 参考资料

本文档主要提供有一定经验的使用者快速入门使用，对于初学者可查看以下文档：

《I2C通讯》