一文詳細了解I2C總線與PiOLED顯示板

在上文中，我們已經(jīng)將SFIO與GPIO之間的關(guān)系分析清楚了，接下來我們就帶大家更深入地了解一下I2C引腳與開發(fā)庫的使用，以及調(diào)整PiOLED顯示內(nèi)容的方法。這兩個部分都是 Jetbot 智能小車項目中非常關(guān)鍵的一環(huán)，但我們更希望讀者能將執(zhí)行技術(shù)使用在更廣泛的場景中。

I2C總線的特性

前面提到過，在 Jetson 的 40 根引腳中有 18 根 SFIO 類的引腳與電路板直連，這是不能改變功能的引腳，其中就有兩組 I2C 的[3, 5]與[27,28]引腳，是不需要透過 Jetson-IO 指定就能使用的。

全名為“集成電路總線(Inter-Integrated Circuit)”的 I2C 是由飛利浦公司在 1980 年代初所設(shè)計的，是一種“多主從(master/slave)架構(gòu)的串行通信總線”，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計得非常簡單并且有很大的彈性空間，使得這個總線的普及度相當(dāng)高，廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT 設(shè)備，EEPROM 等之間的通信。

這里并不講解 I2C 的工作原理與電子電路圖，這些太過底層的知識對于應(yīng)用工程師來說意義并不大，就算不懂也不會影響代碼的操作。不過 I2C 總線的特性，倒是需要了解一下，這對于應(yīng)用開發(fā)是有幫助的。以下簡單列出 I2C 總線的一些特性：

只需要 SDA 數(shù)據(jù)線和 SCL 時鐘線就能完成所有工作，總線界面已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，不需要特殊的界面電路。

是一個真正的多主機總線：

（1）如果兩個或多個主機同時初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞，每個連接到總線上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作為主機也可以作為從機，但同一時刻只允許有一個主機。

（2）數(shù)據(jù)傳輸和地址設(shè)定由軟件設(shè)定，非常靈活。總線上的器件增加和刪除不影響其他器件正常工作。

（3）最大主(master)設(shè)備數(shù)量：無限制；最大從(slave)機數(shù)量：127。

可以通過外部連線進行在線檢測，便于系統(tǒng)故障診斷和調(diào)試，故障可以立即被尋址，軟件也利于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，縮短開發(fā)時間。

連接到相同總線上的 IC 數(shù)量只受總線最大電容的限制，串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達每秒 100 Kbit、快速模式下可達每秒 400 Kbit、高速模式下可達每秒 3.4 Mbit、超高速模式下可達每秒 5 Mbit 性能。

總線具有極低的電流消耗、抗高噪聲干擾，增加總線驅(qū)動器可以使總線電容擴大 10 倍，傳輸距離達到 15 米，兼容不同電壓等級的器件與工作溫度范圍寬。

看完以上這些特性之后，就能很清楚地了解為何 I2C 總線協(xié)議會受到廣泛的青睞，不僅擴充性強而且穩(wěn)定性高，并且成本還比較低，接下去就來看看如何使用代碼來透過這個總線去控制周邊設(shè)備。

I2C總線的檢測工具- i2c-tools

首先要捋清楚 I2C 的歸類是 SFIO 而不是 GPIO 類型，不能使用前一篇文章最后所提到的 Jetson.GPIO 庫進行開發(fā)。

I2C 有自己專屬的 i2c-tools 檢測工具，可以用指令檢測設(shè)備上 I2C 的狀態(tài)，并使用 SMBUS 總線開發(fā)庫來進行開發(fā)，Jetbot 系統(tǒng)的機電操控指令也是基于這個庫進行高階封裝的。雖然在 Jetbot 系統(tǒng)里已經(jīng)將這些工具與庫都安裝調(diào)試好，不過這里還是提供這個工具與開發(fā)庫的安裝與調(diào)試步驟，這樣就能在其他 Jetson 系列設(shè)備上調(diào)用。

安裝 i2c-tools 與 smbus 庫的步驟很簡單，請執(zhí)行以下指令：

sudo apt update && sudo apt install -y i2c-tools

不過這些牽涉到底層的調(diào)用，因此需要配置使用的權(quán)限，如下步驟：

sudo usermod -aG i2c $USER

現(xiàn)在就可以執(zhí)行以下指令，檢查看看設(shè)備里有幾個 i2c 總線：

i2cdetect -l

從下圖可以看到在 Jetson Nano 2GB 里有 7 組 I2C 總線：

如果您手邊還有 Jetson Nano、AGX Xavier 或 Xavier NX 開發(fā)套件，可以執(zhí)行這個指令看看不同設(shè)備的 I2C 總線數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn) Jetson Nano 與 AGX Xavier 各有 9 組，而 Xavier NX 有 11 組。

不過不管芯片提供有多少組總線，目前在 40 針引腳上只用到兩組，那到底用到那兩組？請使用前一篇文章里面提到的“sudo /opt/nvidia/jetson-io/jetson-io.py”這個工具，進去就能看到現(xiàn)在使用 I2C 總線編號，其他可能用在與一些內(nèi)部設(shè)備相連接的總線，在這里就不做探索。

接下來就可以檢查個別總線上所連接的設(shè)備，例如將 Jetbot 用到的 PiOLED 顯示屏，按照要求連接在 Jetson Nano 2GB 的第 3 引腳與第 5 引腳上，對照 40 針引腳說明，可以知道這兩根引腳屬于I2C_2這一組總線，于是要檢查這組所接設(shè)備時，需要執(zhí)行以下指令：

i2cdetect -y -r 1

注意，這個指令最後面所選的編號是從“0”開始，因此對應(yīng)到 I2C 總線編號時，需要經(jīng)過“減1”的處理。執(zhí)行之后會看到如下圖的結(jié)果，有個 16 進制編號為“0x3c”的設(shè)備正連接在 I2C_2 總線上面。

網(wǎng)上大部分的說明就是告訴我們“找到設(shè)備”了，但我們?nèi)绾巫R別這個設(shè)備是什么？卻沒有人說個明白。經(jīng)過幾番搜索之后，才在https://i2cdevices.org/addresses里面找到這些編號的對應(yīng)設(shè)備，例如“0x3c”的設(shè)備總共有 6 種（如下圖），每一種都有可能。

經(jīng)過一一查看之后，發(fā)現(xiàn)這 6 個全部都屬于“顯示類”的設(shè)備，而SSD1306的規(guī)格符合我們連接的 PiOLED 顯示器規(guī)格，如下圖：

這一番摸索之后，大概就能明確如何透過指令來確認(rèn)所連接的設(shè)備，大家只要依循這樣的邏輯與資源，就能非常容易地捋順這個 I2C 總線的使用?，F(xiàn)在已經(jīng)能使用 i2c-tools 工具來檢測 I2C 總線所連接的設(shè)備，接著就來看看在代碼層面該如何對 I2C 設(shè)備執(zhí)行控制！

PiOLED顯示板

這是創(chuàng)客樹莓派極為常用的顯示設(shè)備，在網(wǎng)上可以找到以下三種：

Adafruit原版（下圖最左邊）：約150人民幣

國產(chǎn)樹莓派PiOLED屏（下圖中間）：約30人民幣

0.91寸OLED顯示屏（下圖右邊）：約10人民幣

其實三種的關(guān)鍵元件都一樣，就是右邊那個最便宜的“0.91 寸 OLED 顯示屏”，左邊兩個只是再添加一個很簡單很便宜的電路轉(zhuǎn)接板，然后再加以焊接加工而已。如果您打算按照 Jetbot 提供的自行組裝方式，包括 3D 打印車體、單獨采購 PCA9685+TB6612 控制板，那么“自行焊接加工”的步驟是跳不過去的。

對初學(xué)者來說，推薦使用中間的“樹莓派 PiOLED 屏”會比較方便，現(xiàn)在以這個為例子，按照前面的下圖接到 Jetson Nano 2GB 上，就能在前面的 “i2cdetect -y -r 1”指令下看到 “0x3c” 設(shè)備。

如果你在 Jetbot 系統(tǒng)上，并且正常開機的狀況下，應(yīng)該就能看到顯示器上出現(xiàn)如下圖的信息，這個信息是由 ~/jetbot/jetbot/apps/stats.py 所控制，現(xiàn)在就來看一下這只代碼的內(nèi)容，下面將一些比較關(guān)鍵的代碼列出來說明：

以下是正 OLED 屏的調(diào)用細節(jié)：

這個屏的尺寸是 128x32 像素，與 SSD1306 規(guī)格相同，因此直接使用 Adafruit 所提供的Adafruit_SSD1306庫。

接下來用 Adafruit_SSD1306.SSD1306_128_32 創(chuàng)建 disp 對象，里面的參數(shù)。

(1)rst 是 Raspberry Pi pin configuration 的引腳定義，在這里并不使用(none)；

(2)i2c_bus 指定所使用的總線編號，前面說過這里使用的是第二組(i2c_2)，但在代碼里的編號是“1”，如果用的是第一組則編號為“0”；

(3)gpio 表示這個腳位是否被占用？設(shè)置為“1”就表示已占用。

顯示屏是以“圖像”方式來處理，第 60 行“draw.rectangle”是先將顯示屏涂黑。

從 80~85 行利用 Linux 針對 CPU、內(nèi)存、存儲空間的檢測指令，獲取顯示的數(shù)據(jù)，并抽取所需要的內(nèi)容，分別存入 CPU、MemUsage 與 Disk 三個變量里。

第 89~92 行就是顯示 4 組數(shù)據(jù)，因為顯示屏的高度為 32 像素，而每個字符的高度為 8 像素，因此只能顯示 4 組數(shù)據(jù)，這里的字符并不支持中文。在代碼里面顯示的內(nèi)容是有線網(wǎng) IP、無線網(wǎng) IP、內(nèi)存使用狀況與存儲空間的信息。

第 95~97 行則是將前面四行寫入的信息，以圖像為單位來現(xiàn)實，每一秒更新一次。

下圖是這個 OLED 所顯示的內(nèi)容，與 89~92 行的輸出是一致的。

我們可以嘗試修改一下顯示的內(nèi)容，例如有線網(wǎng) IP 對 Jetbot 來說并不重要，但是 CPU 使用狀態(tài)是挺有價值的，因此我們可以稍作修改，包含要顯示的順序，例如無線網(wǎng) IP 其實只要知道一次就行，可以放到最下面，而內(nèi)存與 CPU 的使用狀態(tài)是相對敏感的，可以將順位往上調(diào)。下面就是修改后的內(nèi)容：

如果您使用鏡像版或者腳本(create-sdcard-image-from-scratch.sh)安裝 Jetbot，應(yīng)該修改完存檔之后，就會看到 OLED 屏的顯示發(fā)生變化。

如果使用容器安裝 Jetbot 的話，這部分需要重建 base 與 display 兩個容器，需要執(zhí)行以下步驟讓這個改變生效。

重新啟動 Jetbot 容器之后，就會看到顯示屏上的內(nèi)容已經(jīng)改變（如下圖），這樣就能輕松改變 OLED 的顯示內(nèi)容。

事實上還有很多方式可以操作 I2C 對 OLED 的顯示處理，在 Adafruit 所提供的開源項目https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_SSD1306下面有些范例代碼可以嘗試，不過操作前先把 Jetbot 容器關(guān)閉，否則 I2C 會被占用。

現(xiàn)在對 Jetson Nano（含2GB）的 I2C 檢測與操作應(yīng)該有更進一步的了解，這些內(nèi)容也適用于 Jetson 系列其他開發(fā)套件，主要差別就是得確認(rèn)所要使用的 I2C 編號，例如在 Xavier AGX 上相同位置的 I2C 是第 9 組，因此得在代碼中修改 “i2c_bus=8”，其他部分則完全一樣。

原文標(biāo)題：NVIDIA Jetson Nano 2GB 系列文章（45）：I2C總線與PiOLED

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審核編輯：湯梓紅