NVIDIA Jetson Nano 2GB 系列文章（45）：I2C总线与PiOLED

在上文中，我们已经将 SFIO 与 GPIO 之间的关系分析清楚了，接下来我们就带大家更深入地了解一下 I2C 引脚与开发库的使用，以及调整 PiOLED 显示内容的方法。这两个部分都是 Jetbot 智能小车项目中非常关键的一环，但我们更希望读者能将执行技术使用在更广泛的场景中。

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  I2C总线的特性
  

前面提到过，在 Jetson 的 40 根引脚中有 18 根 SFIO 类的引脚与电路板直连，这是不能改变功能的引脚，其中就有两组 I2C 的[3, 5]与[27,28]引脚，是不需要透过 Jetson-IO 指定就能使用的。

全名为“集成电路总线(Inter-Integrated Circuit)”的 I2C 是由飞利浦公司在 1980 年代初所设计的，是一种“多主从(master/slave)架构的串行通信总线”，由于结构设计得非常简单并且有很大的弹性空间，使得这个总线的普及度相当高，广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT 设备，EEPROM 等之间的通信。

这里并不讲解 I2C 的工作原理与电子电路图，这些太过底层的知识对于应用工程师来说意义并不大，就算不懂也不会影响代码的操作。不过 I2C 总线的特性，倒是需要了解一下，这对于应用开发是有帮助的。以下简单列出 I2C 总线的一些特性：

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  只需要 SDA 数据线和 SCL 时钟线就能完成所有工作，总线界面已经集成在芯片内部，不需要特殊的界面电路。
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  是一个真正的多主机总线：
  
  （1）如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。
  
  （2）数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。
  
  （3）最大主(master)设备数量：无限制；最大从(slave)机数量：127。
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  可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试，故障可以立即被寻址，软件也利于标准化和模块化，缩短开发时间。
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  连接到相同总线上的 IC 数量只受总线最大电容的限制，串行的 8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达每秒 100 Kbit、快速模式下可达每秒 400 Kbit、高速模式下可达每秒 3.4 Mbit、超高速模式下可达每秒 5 Mbit 性能。
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  总线具有极低的电流消耗、抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大 10 倍，传输距离达到 15 米，兼容不同电压等级的器件与工作温度范围宽。
  

看完以上这些特性之后，就能很清楚地了解为何 I2C 总线协议会受到广泛的青睐，不仅扩充性强而且稳定性高，并且成本还比较低，接下去就来看看如何使用代码来透过这个总线去控制周边设备。

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  I2C总线的检测工具- i2c-tools
  

首先要捋清楚 I2C 的归类是 SFIO 而不是 GPIO 类型，不能使用前一篇文章最后所提到的 Jetson.GPIO 库进行开发。

I2C 有自己专属的 i2c-tools 检测工具，可以用指令检测设备上 I2C 的状态，并使用 SMBUS 总线开发库来进行开发，Jetbot 系统的机电操控指令也是基于这个库进行高阶封装的。虽然在 Jetbot 系统里已经将这些工具与库都安装调试好，不过这里还是提供这个工具与开发库的安装与调试步骤，这样就能在其他 Jetson 系列设备上调用。

安装 i2c-tools 与 smbus 库的步骤很简单，请执行以下指令：

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

不过这些牵涉到底层的调用，因此需要配置使用的权限，如下步骤：

sudo usermod -aG i2c $USER

现在就可以执行以下指令，检查看看设备里有几个 i2c 总线：

i2cdetect -l

从下图可以看到在 Jetson Nano 2GB 里有 7 组 I2C 总线：




如果您手边还有 Jetson Nano、AGX Xavier 或 Xavier NX 开发套件，可以执行这个指令看看不同设备的 I2C 总线数量，可以发现 Jetson Nano 与 AGX Xavier 各有 9 组，而 Xavier NX 有 11 组。

不过不管芯片提供有多少组总线，目前在 40 针引脚上只用到两组，那到底用到那两组？请使用前一篇文章里面提到的 “sudo /opt/nvidia/jetson-io/jetson-io.py” 这个工具，进去就能看到现在使用 I2C 总线编号，其他可能用在与一些内部设备相连接的总线，在这里就不做探索。

接下来就可以检查个别总线上所连接的设备，例如将 Jetbot 用到的 PiOLED 显示屏，按照要求连接在 Jetson Nano 2GB 的第 3 引脚与第 5 引脚上，对照 40 针引脚说明，可以知道这两根引脚属于 I2C_2 这一组总线，于是要检查这组所接设备时，需要执行以下指令：

i2cdetect -y -r 1

注意，这个指令最後面所选的编号是从“0”开始，因此对应到 I2C 总线编号时，需要经过“减1”的处理。执行之后会看到如下图的结果，有个 16 进制编号为“0x3c”的设备正连接在 I2C_2 总线上面。




网上大部分的说明就是告诉我们“找到设备”了，但我们如何识别这个设备是什么？却没有人说个明白。经过几番搜索之后，才在https://i2cdevices.org/addresses里面找到这些编号的对应设备，例如“0x3c”的设备总共有 6 种（如下图），每一种都有可能。




经过一一查看之后，发现这 6 个全部都属于“显示类”的设备，而 SSD1306 的规格符合我们连接的 PiOLED 显示器规格，如下图：




这一番摸索之后，大概就能明确如何透过指令来确认所连接的设备，大家只要依循这样的逻辑与资源，就能非常容易地捋顺这个 I2C 总线的使用。现在已经能使用 i2c-tools 工具来检测 I2C 总线所连接的设备，接着就来看看在代码层面该如何对 I2C 设备执行控制！

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  PiOLED显示板
  

这是创客树莓派极为常用的显示设备，在网上可以找到以下三种：

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  Adafruit原版（下图最左边）：约150人民币
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  国产树莓派PiOLED屏（下图中间）：约30人民币
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  0.91寸OLED显示屏（下图右边）：约10人民币
  

其实三种的关键元件都一样，就是右边那个最便宜的“0.91 寸 OLED 显示屏”，左边两个只是再添加一个很简单很便宜的电路转接板，然后再加以焊接加工而已。如果您打算按照 Jetbot 提供的自行组装方式，包括 3D 打印车体、单独采购 PCA9685+TB6612 控制板，那么“自行焊接加工”的步骤是跳不过去的。

对初学者来说，推荐使用中间的“树莓派 PiOLED 屏”会比较方便，现在以这个为例子，按照前面的下图接到 Jetson Nano 2GB 上，就能在前面的 “i2cdetect -y -r 1”指令下看到 “0x3c” 设备。




如果你在 Jetbot 系统上，并且正常开机的状况下，应该就能看到显示器上出现如下图的信息，这个信息是由 ~/jetbot/jetbot/apps/stats.py 所控制，现在就来看一下这只代码的内容，下面将一些比较关键的代码列出来说明：





以下是正 OLED 屏的调用细节：

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  这个屏的尺寸是 128x32 像素，与 SSD1306 规格相同，因此直接使用 Adafruit 所提供的 Adafruit_SSD1306 库。
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  接下来用 Adafruit_SSD1306.SSD1306_128_32 创建 disp 对象，里面的参数。
  
  (1)rst 是 Raspberry Pi pin configuration 的引脚定义，在这里并不使用(none)；
  
  (2)i2c_bus 指定所使用的总线编号，前面说过这里使用的是第二组(i2c_2)，但在代码里的编号是“1”，如果用的是第一组则编号为“0”；
  
  (3)gpio 表示这个脚位是否被占用？设置为“1”就表示已占用。
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  显示屏是以“图像”方式来处理，第 60 行“draw.rectangle”是先将显示屏涂黑。
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  从 80~85 行利用 Linux 针对 CPU、内存、存储空间的检测指令，获取显示的数据，并抽取所需要的内容，分别存入 CPU、MemUsage 与 Disk 三个变量里。
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  第 89~92 行就是显示 4 组数据，因为显示屏的高度为 32 像素，而每个字符的高度为 8 像素，因此只能显示 4 组数据，这里的字符并不支持中文。在代码里面显示的内容是有线网 IP、无线网 IP、内存使用状况与存储空间的信息。
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  第 95~97 行则是将前面四行写入的信息，以图像为单位来现实，每一秒更新一次。
  

下图是这个 OLED 所显示的内容，与 89~92 行的输出是一致的。



我们可以尝试修改一下显示的内容，例如有线网 IP 对 Jetbot 来说并不重要，但是 CPU 使用状态是挺有价值的，因此我们可以稍作修改，包含要显示的顺序，例如无线网 IP 其实只要知道一次就行，可以放到最下面，而内存与 CPU 的使用状态是相对敏感的，可以将顺位往上调。下面就是修改后的内容：



如果您使用镜像版或者脚本(create-sdcard-image-from-scratch.sh)安装 Jetbot，应该修改完存档之后，就会看到 OLED 屏的显示发生变化。

如果使用容器安装 Jetbot 的话，这部分需要重建 base 与 display 两个容器，需要执行以下步骤让这个改变生效。



重新启动 Jetbot 容器之后，就会看到显示屏上的内容已经改变（如下图），这样就能轻松改变 OLED 的显示内容。



事实上还有很多方式可以操作 I2C 对 OLED 的显示处理，在 Adafruit 所提供的开源项目https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_SSD1306下面有些范例代码可以尝试，不过操作前先把 Jetbot 容器关闭，否则 I2C 会被占用。

现在对 Jetson Nano（含2GB）的 I2C 检测与操作应该有更进一步的了解，这些内容也适用于 Jetson 系列其他开发套件，主要差别就是得确认所要使用的 I2C 编号，例如在 Xavier AGX 上相同位置的 I2C 是第 9 组，因此得在代码中修改 “i2c_bus=8”，其他部分则完全一样。