Kurs Raspberry Pi Pico – #11 – uruchomienie cyfrowego czujnika światła, czyli I2C

W pierwszej fazie programu, jak to zwykle bywa, znalazły się biblioteki oraz odpowiednie definicje. Jako że będziemy korzystać z magistrali I2C, musimy dołączyć bibliotekę „hardweare/i2c.h”, w pliku tym znalazły się wszystkie podstawowe polecenia pozwalające korzystać z tego rodzaju transmisji danych. Dzięki umieszczonym w dalszej części definicjom będziemy mogli korzystać z trzech makr: I2C_PORT, SDA_PIN oraz SCL_PIN. Jak łatwo się domyślić dwie ostatnie definicje odnoszą się do numerów wyprowadzeń, z których korzystać będzie cyfrowy czujnik światła, czyli GP6 i GP7. Natomiast I2C_PORT będzie od tej chwili równoznaczne z i2c1. Jak już wspominałem, Raspberry Pi Pico W dysponuje dwiema magistralami w standardzie I2C: I2C0 i I2C1. Czujnik, który w dalszej części artykułu uruchamiamy, podłączyliśmy do wyprowadzeń odpowiadających drugiej szynie danych, dlatego w kodzie umieszczamy i2c1.

Kolejnym krokiem jest dołączenie prototypu funkcji i2c_scan. To właśnie ona będzie główną częścią kodu, ale dla odmiany umieściłem ją na samym końcu programu, dlatego w takim przypadku, jak już kiedyś wspominałem dołączamy prototyp. Funkcja ta ma typ void, tak więc nie zwraca danych, dodatkowo tez nie przekazujemy do niej żadnych argumentów.

Wewnątrz głównej funkcji main inicjalizujemy standardowe polecenia biblioteki stdio.h, jak i sam interfejs I2C. Służy do tego instrukcja i2c_init, w której argumentach przekazujemy odpowiedni port, dzięki definicji I2C_PORT jest to i2c1, a także tak zwany boudrate, będący w tym przypadku wartością częstotliwości, z jaką przesyłane będą dane. I2C wspiera kilka szybkości transmisji danych, gdzie podstawowymi są 100kHz (standard), 400kHz (fast mode), 1MHz (fast mode plus), 3,4MHz (high speed mode) oraz 5MHz (ultra fast mode). W naszym projekcie skorzystamy ze standardowej wartości 100kHz i taką właśnie liczbę musimy podać w argumencie funkcji i2c_init. Jednak zamiast wpisać po prostu 100000 umieścimy tam działanie 100*1000, którego wynikiem jest właśnie wspomniana wartość. Taka konstrukcja nie ma większego uzasadnienia, chciałbym jedynie przypomnieć, że w języku C z łatwością możemy tworzyć tego typu konstrukcje, gdzie w argumencie funkcji podajemy działanie matematyczne, bądź też nawet odwołanie do jeszcze innego polecenia. W kolejnych krokach korzystamy ze znanych już poleceń inicjalizujących porty RPI Pico, dzięki GPIO_FUNC_I2C ustawiamy wyprowadzenia w tryb portów magistrali dwuprzewodowej, a następnie podciągamy je do zasilania funkcją gpio_pull_up. Jest to niezbędne, ponieważ transmisja I2C bazuje na sygnałach logicznego zera. Innymi słowy, pojawienie się na magistrali sygnału niskiego oznacza rozpoczęcie transmisji danych i domyślnie, gdy urządzenia nie wymieniają między sobą informacji, sygnał SDA jest w stanie wysokim.

W głównej pętli while znalazły się tylko dwa polecenia. Dzięki nim co trzy sekundy wywołujemy funkcje i2c_scan, która skanuje magistralę danych w poszukiwaniu podłączonych do niej urządzeń.

Funkcję tą zaczynamy od klasycznego już printf, który wyświetli w monitorze portu szeregowego informację o rozpoczętym skanowaniu. Następnie skorzystamy ze znanej już pętli for, tak aby sprawdzić każdy adres, pod którym zgłosić może się podłączone urządzenie. W jej argumentach tworzymy zmienną addr odpowiadającą właśnie wartości adresu o początkowym stanie 1, bo co wydaje mi się intuicyjne, skanowanie zacząć chcemy właśnie od pierwszego adresu. Dalej określamy, że pętla ma się wykonywać do czasu, gdy addr będzie mniejsze od wartości 0x7F, w systemie dziesiętnym jest to 127, bo właśnie tyle pojedynczych urządzeń możemy podłączyć do jednej magistrali I2C. Można by tutaj zastosować oczywiście konstrukcję addr<127, jednak jak pewnie zauważyliście, do tej pory wartość adresu zawsze zapisywałem jako hex i niech tak pozostanie, bo jest to ogólnie przyjęty standard w elektronice.  Ostatnim już argumentem jest polecenie, dzięki któremu przy każdym przebiegu pętli addr zwiększy swą wartość o jeden.

Wewnątrz pętli for tworzymy zmienną rxdata, do której zapisywać będziemy odebrane z podłączonego urządzenia dane. Z naszej perspektywy jednak zmienna ta nie jest ważna, a jedynie wymagana przez polecenie, które za chwilę opiszę. W programie nie oczekujemy odebrania żadnych konkretnych danych, a jedynie sprawdzenia co podłączone jest do wyprowadzeń Raspberry Pi Pico, dlatego aktualnie nie musimy poświęcać tej zmiennej większej uwagi. Ważna za to jest kolejna zmienna typu int8_t (liczba ze znakiem, będzie to ważne później), którą generujemy, czyli result. Od razu przypisujemy do niej wartość, którą zwróci nam polecenie i2c_read_blocking. Będzie to liczba odczytanych z potencjalnego urządzenia bajtów, dzięki temu dość łatwo będziemy mogli określić, czy pod danym adresem jest jakiś sprzęt. Jeśli odczytamy cokolwiek, również zero, oznaczać to będzie, że pod tym adresem zgłosił się konkretny moduł i analogiczne, gdy funkcja nie zwróci żadnej wartości oznaczać będzie, że dany adres jest pusty. Wyjaśnieniu wymaga też określenie funkcja blokująca. Oznacza to, że, gdy jest ona wykonywana, mikrokontroler niejako wstrzymuje swoje działanie i czeka na dopowiedz z drugiej strony.

Funkcja i2c_read_blocking, oczekuje od nas szeregu argumentów, które musimy oczywiście podać. Pierwszym z nich jest wybrany przez nas port, następnie adres, z którym chcemy nawiązać kontakt. Podajemy tutaj wartość zmiennej addr, który tak jak wspominałem, zwiększa się o jeden przy każdym przebiegu pętli. Następnie musimy podać miejsce, pod którym zapisane mają zostać potencjalnie odebrane dane, korzystamy tutaj ze wskaźnika, na utworzoną chwile wcześniej zmienną rxdata. „1” określa ilość bajtów, które chcemy odebrać, w tym przypadku nie jest to tak naprawdę ważne, dlatego zakładamy, że oczekujemy tylko jednego bajta. Ostatnim argumentem jest logiczny fałsz, dzięki niemu funkcja po każdorazowej wymianie danych przywróci magistralę I2C do domyślnego stanu. Jeśli umieścilibyśmy wewnątrz funkcji wartość true, to po wymianie danych magistrala pozostawałaby w stanie gotowym do transmisji. Innymi słowy, transmisja nie byłaby skończona, a mikrokontroler byłby nadal gotowy do komunikacji.

W dalszej części dzięki funkcji warunkowej if sprawdzamy wartość zmiennej result, dla przypomnienia przechowuje ona liczbę odpowiadającą ilości odebranych danych. Jeśli jest ona większa bądź równa zero oznacza to, że pod danym adresem podłączone jest jakieś urządzenie i można z nim wymieniać informacje. Dość nielogiczne może wydawać się, że odebranie zerowej ilości danych oznacza aktywne urządzenia, ale tak właśnie jest. Gdy pod danym adresem nie ma niczego, do result nie zostanie przypisane „nic”, przypisana zostanie wówczas specyficzna wartość będąca typem enumeracyjnym. Czyli specjalną wartością przewidzianą dla tego typu przypadków. W dalszej części sprawdzimy co dokładnie przypisywane jest do zmiennej result. Tak więc, gdy result ma zgodną z warunkiem wartość, wykonać możemy polecenie printf, które wyrzuci nam na ekran komputera aktualną wartość addr, czyli adresu, który chwile wcześniej sprawdzaliśmy za pomocą i2c_read_blocking.

Spojrzyjmy teraz na kod jako całość. Początkowo inicjalizujemy magistralę I2C oraz podciągamy do napięcia zasilania wykorzystywane fizycznie wyprowadzenia. Wewnątrz pętli while wywołujemy funkcje i2c_scan, której zadaniem jest sprawdzić, czy do dwuprzewodowej magistrali podłączone są jakieś urządzenia. Bazuje ona na wykonywanej 127 razy pętli for, która przy każdym przebiegu próbuje odczytać dane spod adresu zapisanego w addr. Jeśli odebrane zostanie cokolwiek lub zero, które też jest poprawną wartością, wysyłamy na ekran komputera aktualną wartość spod addr.