GDE专栏 | Android Things中的I2C

文｜ 谷歌开发技术专家 王玉成 (York Wang)

上一讲中，我们说到 Android Things 的 API，以及 Peripheral I/O 设备包含的 API 的类型。但是作为程序员的我们，怎么理解这些 API 呢？

我们就拿 I2C 的 API 来说吧。看看我们怎样在 Android Things 中添加一个 I2C 的设备？首先得知道，I2C 是做什么的？怎么用？

实际上，I2C 是同步的串行通信总线，一般用于控制信号，比如控制 LCD， Camera 等设备。另外，大部分传感器有 I2C 的接口。I2C 是依靠时钟信号来传递数据的，所以有主设备（产生时钟的信号）和从设备（接收时钟的信号）之分。I2C 的通信每一次操作都是由主设备的发起的。

既然 I2C 是依靠时钟传递的信号，那么在连线上就有时钟钱 (SCL) 和数据线 (SDA)，然后为了电势与大地相同，自然少不了地线 (GND)。为了方便没有接触过 I2C 总线的同学们理解这三个名词，贴上名词的全称：

• Shared clock signal (SCL)
  

• Shared data line (SDA)

• Common ground reference (GND)

单看上面的图，为啥有三个 I2C 设备连接在一起呢？这三者之间又是什么关系？

其中，写有 Master Device 的 I2C 设备，称为主设备，另外两个为从设备。从主设备引出的 SDA 和 SCL 线构成 I2C 的总线。一个 I2C 的主设备可以提供一条 I2C 的总线，一条总线上最后可以连接 127 个 I2C 的从设备。

等等，为啥是 127 个呢？主要是 I2C 的地址有 7 位和 10 位两种地址。也就意味着，对于 7 位的地址表达的数据最大可以到 2^7＝128，减去一个主设备，就是 127 个从设备了。这里的 I2C 设备地址，就是上图的 Address: 0x3c 和 0x4c，I2C 的主设备是通过从设备的地址，来找到从设备的。请注意，I2C 的主设备，是没有设备地址这一说法的。

我们还需要了解 I2C 的一些硬件信息:

I2C 是半双工，可以有主 -> 从方向的数据，也可以有从 -> 主方向的数据，但是同一时刻，只能有一种传输方式。这点和 SPI 是有差别的，SPI 总线支持全双工模式。但它同时只能访问一个从设备，由片选信号 (CS) 来决定。这就很明显了，I2C 通常用于控制命令的传输。而 SPI 通常用数据的批量传输。

了解完 I2C 的基本硬件信息。我们来了解一下 I2C 的从设备操作方式。不多不多，就是三大步。

• 连接从设备

• 对从设备进行读操作

• 对从设备进行写操作

设备连接

先要检查我们的物联网设备上有没有 I2C 总线。这时需要补充一下，有可能你的开发板上有多个 I2C 的总线。这时候， I2C 的总线地址 (此处非 I2C 的设备地址) 是有多个的，要明确你的 I2C 设备是接在哪个 I2C 的总线上。这也可以理解，为什么得到的 I2C 总线的数据是用 List 类型进行存放的。

如果有总线，我们再查找当前的 I2C 总线上对应的 I2C 设备。

关键的接口是 manager.openI2CDeivce（..），这个函数有两个参数，DEVICE_NAME 是用户定义的一个字符串，表示设备的名称。I2C_ADDRESS，也是之前所说的 I2C 从设备上的地址，这个地址在当前的 I2C 总线上是唯一的。

读写操作

首先得把 I2C 的操作流程搬出来说了。

这张图翻译成中文就是这样子的：

这样就完成了向设备地址为 0x30、寄存器地址为 0x10 的设备上读或者写入 0x06 这个数据。

那怎么知道是读数据，还是写数据呢？实际上 I2C 是 7 位的地址位。但是一个字节是 8 位，其中有一位叫做读写位。如果那一位设为读，就是去读操作，如果设为写，就是写操作。实际上，在示波器上我们还能看到另外的一个 ACK 位，保证硬件上传输正常，ACK 位在软件上不需要处理。

那么，加上 I2C 的读写位之后， I2C 数据传输会是什么样的呢？

我们可以看到， I2C 数据传输的时序，从硬件上来说 SCL 是按周期发的时钟信号，当 SCL 是高电平时，SDA 产生一个下降沿，这时候开始数据传输。其中传输 I2C 的从设备地址共有 8 位，1-7 位是地址，第 8 位是读写位，0 表示写，1 表示读。然后硬件自动产生 ACK 位。接下来就是数据传输的整个过程，最后当数据传完后，SCL 为高电平，SDA 产生上升沿时，产生 STOP 操作。事实上，在 I2C 做读操作需要往 I2C 的设备写入随机值，再去读，不过这些操作在 I2C 相关的接口中已经为我们封装好了。

这么大篇幅介绍了 I2C 的原理，还有 I2C 的时序，操作流程。实际上，Android Things 已经帮我们把读写接口封装好了，我们只需要在理解的基础上，调用接口就行了。

可以看出，Android Things 已经给我们封装好了 I2C 的读写操作 ，我们直接用就可以了。

这里面还有个细节比较绕。之前提到， I2C 的设备地址可以是 7 位，也可以是 10 位，但是 I2C 设备的寄存器可以是 8 位，也可以是 16 位。这里面就涉及到 8 位的设备，以及 16 位设备的读写问题。

六大函数出场：

• 8 位地址读写操作- readRegByte() 和 writeRegByte()

• 16 位地址读写操作 - readRegWord() 和 writeRegWord()

• 批量读写操作- readRegBuffer() and writeRegBuffer()

其中 Byte 是针对 8 位的 I2C 设备，Word 是针对 16 位的设备。

读操作：用寄存器的地址做为参数。

写操作：两个参数，寄存器地址，和你要写入的值。

上面的代码中，把寄存器的第 6 位置 1。所以操作流程是

1. 读出寄存器的值

2. 将这个值的第6位置1 (value |= 0x40;)

3. 然后把新的值写回寄存器

不过对于 16 位的地址操作还有一个大小端的问题。（什么是大小端？去 Google 吧 ）现在的 API 是依照小端模式来读写的 16 位设备地址。

直接批量数据操作，可以最大读到 32 个连续的寄存器的数值。

那么，我们怎么使用接口进行批量操作呢？

传输原始数据

还是先来张图吧：

这种操作方法，不同于上面的读写寄存器。在 I2C 的操作中，属于 burst 操作方法。即一次性的读写多少字节，最后再停止。

跟一个例子：

这样传输能带来更高的传输效率，解决了 I2C 传输的核心问题，我们也解决了支持 I2C 的任何外设的读写问题。

后记

Android Things 的 SDK 中，Peripheral I/O 部分是包括三种总线的，UART, I2C, SPI。对于软件开发人员来说，有下面几点需要注意：

• UART 开发，需要了解 UART 的波特率、流控等概念。

• SPI 开发，需要了解 MISO, MOSI,CLK, GND, CS 这些连线的作用，还有 SPI 的操作模式等，SDK 中的接口，与上文的 I2C 的开发流程相似。

• I2C开发，就不用接着说了吧
  

下一讲我们会展示一个完整的 Android Things 应用。

您如果有任何涉及到 Android Things 方面的想法，都欢迎大家在下方留言，我们会把好的建议转交给 Android Things 的产品部门。也许在某一天，你的建议就是 Andorid Things 的一部分。

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