I2C应用编程

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛用于嵌入式系统的串行通信协议，允许多个设备通过两根数据线进行通信。在 Linux 系统中，I2C 设备通常挂载在 /dev 目录下，使用如 /dev/i2c-X 这样的设备文件进行访问。通过系统调用和特定的 I2C 操作命令，应用层程序可以与 I2C 设备进行读写操作。

本教程将介绍如何使用 Linux 提供的 I2C 接口进行编程，详细讲解关键的结构体、系统调用以及常用的 I2C 工具，以帮助开发者更好地理解和操作 I2C 设备。

1. 关键结构体

1.1 struct i2c_msg

i2c_msg 是 I2C 消息的描述结构体，用于定义一次 I2C 通信中的单个传输消息。它可以是读或写操作，并包含目标设备的地址、数据缓冲区和数据长度。

struct i2c_msg {
    __u16 addr;    // 从设备的地址
    __u16 flags;   // 操作标志位
    __u16 len;     // 要发送/接收的数据长度
    __u8 *buf;     // 数据缓冲区指针
};

主要标志位：

  • I2C_M_RD: 表示读操作。如果未设置此标志，则表示写操作。
  • I2C_M_TEN: 表示使用 10 位地址模式。
  • I2C_M_STOP: 表示在消息结束时生成 STOP 信号。

1.2 struct i2c_rdwr_ioctl_data

i2c_rdwr_ioctl_data 结构体用于通过 ioctl 系统调用执行 I2C 读写操作。它包含一个 i2c_msg 数组和消息的数量。

struct i2c_rdwr_ioctl_data {
    struct i2c_msg *msgs;  // 指向消息数组
    __u32 nmsgs;           // 消息的数量
};

2. I2C 应用编程概述

在用户空间中，I2C 编程的核心操作是：

  1. 打开 I2C 设备：通过 open() 函数打开 /dev/i2c-X 设备文件。
  2. 设置从设备地址：使用 ioctl() 系统调用设置目标从设备的地址。
  3. 数据读写：通过 read() 和 write() 进行简单的读写操作，或使用 ioctl() 进行复杂的多字节传输。

2.1 打开 I2C 设备

使用 open() 函数打开 I2C 设备文件，例如 /dev/i2c-1：

int file;
file = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
if (file < 0) {
    perror("Failed to open the i2c bus");
    exit(1);
}

2.2 设置从设备地址

通过 ioctl() 设置与哪个从设备进行通信：

int addr = 0x50; // 从设备地址
if (ioctl(file, I2C_SLAVE, addr) < 0) {
    perror("Failed to acquire bus access and/or talk to slave");
    exit(1);
}

I2C_SLAVE 是常用的 ioctl 命令，用于设置 I2C 从设备地址。

2.3 读写 I2C 数据

2.3.1 写入数据

使用 write() 函数将数据写入 I2C 设备：

unsigned char buffer[1] = { 0xA0 };
if (write(file, buffer, 1) != 1) {
    perror("Failed to write to the i2c bus");
}

2.3.2 读取数据

使用 read() 函数从 I2C 设备读取数据：

unsigned char buffer[1];
if (read(file, buffer, 1) != 1) {
    perror("Failed to read from the i2c bus");
} else {
    printf("Data read: 0x%02x\n", buffer[0]);
}

2.4 使用 ioctl 进行复杂读写操作

对于更复杂的读写操作（如多字节传输），可以使用 I2C_RDWR 命令结合 i2c_rdwr_ioctl_data 来实现。

2.4.1 写入多个字节

假设要向寄存器 0x10 写入两个字节的数据：

unsigned char outbuf[3] = { 0x10, 0x01, 0x02 };
struct i2c_msg messages[1];
messages[0].addr  = addr;
messages[0].flags = 0;  // 写操作
messages[0].len   = 3;
messages[0].buf   = outbuf;

struct i2c_rdwr_ioctl_data ioctl_data;
ioctl_data.msgs  = messages;
ioctl_data.nmsgs = 1;

if (ioctl(file, I2C_RDWR, &ioctl_data) < 0) {
    perror("Failed to write to the i2c bus");
}

2.4.2 读取寄存器数据

通常，读取寄存器数据需要先写入寄存器地址，再读取其数据。例如，读取寄存器 0x10：

unsigned char reg = 0x10;
unsigned char inbuf[1];

struct i2c_msg messages[2];
messages[0].addr  = addr;
messages[0].flags = 0;  // 写操作
messages[0].len   = 1;
messages[0].buf   = &reg;

messages[1].addr  = addr;
messages[1].flags = I2C_M_RD;  // 读操作
messages[1].len   = 1;
messages[1].buf   = inbuf;

struct i2c_rdwr_ioctl_data ioctl_data;
ioctl_data.msgs  = messages;
ioctl_data.nmsgs = 2;

if (ioctl(file, I2C_RDWR, &ioctl_data) < 0) {
    perror("Failed to read from the i2c bus");
} else {
    printf("Register 0x10 read: 0x%02x\n", inbuf[0]);
}

3. 常用的 ioctl 命令

  • I2C_SLAVE: 设置从设备地址。
  • I2C_RDWR: 执行多条 I2C 消息（读或写），对应 i2c_rdwr_ioctl_data。

4. 完整的 I2C 应用层示例

以下是一个完整的示例程序，展示如何通过 I2C 接口读取和写入数据：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int file;
    int addr = 0x50; // I2C 从设备地址

    // 打开 I2C 设备
    if ((file = open("/dev/i2c-1", O_RDWR)) < 0) {
        perror("Failed to open the i2c bus");
        return 1;
    }

    // 设置从设备地址
    if (ioctl(file, I2C_SLAVE, addr) < 0) {
        perror("Failed to acquire bus access and/or talk to slave");
        return 1;
    }

    // 写入数据到寄存器 0x10
    unsigned char outbuf[3] = { 0x10, 0x01, 0x02 };

    if (write(file, outbuf, 3) != 3) {
        perror("Failed to write to the i2c bus");
        return 1;
    }

    // 读取寄存器 0x10 的值
    unsigned char reg = 0x10;
    unsigned char inbuf[1];

    struct i2c_msg messages[2];
    messages[0].addr  = addr;
    messages[0].flags = 0;
    messages[0].len   = 1;
    messages[0].buf   = &reg;

    messages[1].addr  = addr;
    messages[1].flags = I2C_M_RD;
    messages[1].len   = 1;
    messages[1].buf   = inbuf;

    struct i2c_rdwr_ioctl_data ioctl_data;
    ioctl_data.msgs  = messages;
    ioctl_data.nmsgs = 2;

    if (ioctl(file, I2C_RDWR, &ioctl_data) < 0) {
        perror("Failed to read from the i2c bus");
        return 1;
    } else {
        printf("Register 0x10 read: 0x%02x\n", inbuf[0]);
    }

    close(file);
    return 0;
}

5. 使用 i2c-tools 进行调试

i2c-tools 是一组用于调试 I2C 设备的工具集，其中包括 i2cdetect、i2cget、i2cset 和 i2cdump 等常用工具。以下是这些工具的使用介绍。

5.1 i2cdetect

i2cdetect 用于扫描 I2C 总线，查看哪些设备在响应。

i2cdetect -y 1

5.2 i2cget

i2cget 用于读取 I2C 设备寄存器的数据。

i2cget -y 1 0x50 0x00

5.3 i2cset

i2cset 用于向 I2C 设备写入数据。

i2cset -y 1 0x50 0x00 0xFF

5.4 i2cdump

i2cdump 用于读取 I2C 设备的所有寄存器，并以十六进制输出。

i2cdump -y 1 0x50

6. 总结

I2C 是嵌入式系统中常见的通信协议，在 Linux 中提供了丰富的用户空间接口来与设备交互。通过使用 open()、read()、write() 和 ioctl() 等系统调用，开发者可以轻松对 I2C 设备进行操作。此外，i2c-tools 提供了一组命令行工具，能够帮助开发者快速调试和测试 I2C 总线设备。在嵌入式开发和硬件调试中，这些工具和接口都是非常重要的。

如需进一步了解 i2c-tools 的源码和开发方法，你可以访问 i2c-tools 官方源码仓库。