陈拓 chentuo@ms.xab.ac.cn 2020/07/21-2020/07/29

FDC2214是Ti公司的一款低功耗高精度的电容传感器芯片。本文讲述用树莓派Linux Shell配置和操作FDC2214,可以快速熟悉并进行原型开发。

1. 树莓派换源

为了加快所需软件的下载,我们需要先换源。


  • 首先查看系统版本:lsb_release -a


  • 修改软件更新源 /etc/apt/sources.list

sudo nano /etc/apt/sources.list



在下面的语句前面加#注释掉这行:


#deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi


可以用阿里源:


deb http://mirrors.aliyun.com/raspbian/raspbian/ buster main contrib non-free rpi


也可以用科大源:


deb http://mirrors.ustc.edu.cn/raspbian/raspbian/ buster main contrib non-free rpi



然后按Ctrl + O存盘,Ctrl + X退出。


  • 修改系统更新源/etc/apt/sources.list.d/raspi.list

sudo nano /etc/apt/sources.list.d/raspi.list



在下面的语句前面加#注释掉这行:


#deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main


在这里可以添加阿里的源:


deb http://mirrors.aliyun.com/archive.raspberrypi.org/debian/ buster main ui


也可以里用科大源:


deb http://mirrors.ustc.edu.cn/archive.raspberrypi.org/debian/ buster main ui



  • 同步更新源

sudo apt-get update



换源完成。


2. 启用树莓派I2C


树莓派GPIO2和I2C1_SDA,GPIO3和I2C1_SCL是复用的,默认功能是GPIO,如果要使用I2C需要执行如下命令进行树莓派配置,启用I2C功能:


sudo raspi-config




选择Interfacing Options -> I2C -> yes 启动i2C内核驱动。



不用重启。


运行lsmod命令查看i2c是否启动:


lsmod | grep i2c



若没有启动i2c内核驱动,可以试下添加如下配置文件,运行如下命令打开配置文件。


sudo nano /etc/modules


增加以下两行并保存退出。


i2c-bcm2708


i2c-dev


需要重启树莓派。


3. 硬件连接


  • 树莓派引脚


  • FDC2214引脚

下面左图为芯片引脚,芯片还需要配一些外围电路,可以在网上购买现成的模块。右图为模块引脚。


  


  • 接线对照表

树莓派第 5脚(I2C1_SCL)- FDC2214第2脚(SCL)


树莓派第 3脚(I2C1_SDA)- FDC2214第4脚(SDA)


树莓派第 9脚(GND)     - FDC2214第6脚(ADDR)


树莓派第 7脚(GPIO4)   - FDC2214第8脚(SD)


树莓派第11脚(GPIO17)  - FDC2214第10脚(INTB)


树莓派第 6脚(GND)     - FDC2214第12脚(GND)


树莓派第 1脚(3.3V)    - FDC2214第14脚(+3.3V)


  • FDC2214引脚功能



当SD引脚设置为高电平时,FDC将进入关机模式,关机模式是低功耗状态。将SD引脚设置为低电平时FDC退出关机模式。


注意:FDC2214使用前必须进行复位操作,即将SD拉高进入关机模式,再拉低进入正常工作模式。这时所有寄存器都返回其默认状态,并清除所有错误条件,取消INTB引脚的中断信号。


  • I2C接口规范

FDC使用I2C的扩展启动序列进行寄存器访问。I2C接口的最高速度为400kbit/s。此序列遵循标准I2C 7位从机地址,跟随一个8位指针寄存器字节,以设置寄存器地址。当ADDR引脚设置为低时,FDC I2C地址为0x2A;当ADDR引脚设置为高位时,FDC I2C地址为0x2B。FDC在正常工作状态时,ADDR引脚不得改变状态。


4. 用树莓派GPIO4控制FDC2214的SD引脚


4.1 用Shell命令直接控制GPIO4


  • 使GPIO4从内核空间暴露到用户空间中

echo 4 > /sys/class/gpio/export



> 是IO重定向符号,IO重定向是指改变linux标准输入和输出的默认设备,指向一个用户定义的设备。echo 4 > export就是把4写入到export文件中。


执行该操作之后,/sys/class/gpio目录下会增加一个gpio4文件夹。


查看GPIO4引脚(在Liunx中设备都以文件的形式,引脚也是设备)


ls /sys/class/gpio



ls /sys/class/gpio/gpio4



  • 设置GPIO4为输出模式

echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction



查看设置:cat /sys/class/gpio/gpio4/direction



  • FDC2214复位,SD引脚拉高再拉低

1) 向value文件中输入1,GPIO4输出高电平,当SD引脚设置为高电平时,FDC2214将进入关机模式。


echo 1 > /sys/class/gpio/gpio4/value


查看GPIO4的值:cat /sys/class/gpio/gpio4/value


 


2) 再向value文件中输入0,GPIO4输出地电平,FDC完成初始化,进入工作模式。


echo 0 > /sys/class/gpio/gpio4/value


查看初始化过程:


 


FDC2214完成Reset。


5. i2c-tools


为了从命令行控制i2c设备,需要安装工具i2c-tools。


5.1 安装i2c-tools


sudo apt-get install i2c-tools


 


i2c-tools官网,ttp://www.lm-sensors.org/wiki/i2cToolsDocumentation


I2c-tools仅有四条命令,下面逐条介绍。


5.2 查询i2c设备


  • 树莓派上I2C总线列表

i2cdetect -l


 


  • 查看挂在总线上的从机设备地址

i2cdetect -y 1


检测i2c-1上的挂载情况


-y表示取消用户交互过程,直接执行指令


1代表I2C总线编号


 


2a=0x2A是FDC2214 I2C的从机地址。


ADDR是设备地址选择引脚:


当ADDR为低时从机地址为0x2A;当ADDR为高时从机地址为0x2B。我的FDC2214 ADDR引脚接地,所以I2C地址为2a。


5.3 查看所有寄存器的内容


i2cdump -y 1 0x2a


 


这是寄存器的初始状态,可以对照FDC2214芯片手册查看。


5.4 寄存器内容写入


  • 写字节

i2cset -y 1 I2C从机设备地址 寄存器地址 要写入的值(字节)


  • 写字(2字节)

i2cset -y 1 I2C从机设备地址 寄存器地址 要写入的字节值(字) w


5.5 寄存器内容读出


  • 读字节

i2cget -y 1 I2C从机设备地址 寄存器地址


  • 读字(2字节)

i2cget -y 1 I2C从机设备地址 寄存器地址 w


5.6 读取FDC2214的ID


  • ID寄存器

为了判断树莓派和FDC2214是没有问题,先读取FDC2214的ID,这里有两个ID可以供我们读取:


 


# 读取MANUFACTURER_ID


i2cget -y 1 0x2a 0x7E w


 


# 18772 = 0x4954,大小端交换0x5449,与芯片手册中Table 45一致。


# 读取DEVICE_ID


i2cget -y 1 0x2a 0x7F w


 


# 21808 = 0x5530,大小端交换0x3055,与芯片手册中Table 46一致。


6. 寄存器配置


  • 芯片文档10.2.3.2建议的初始寄存器配置值

FDC上电后立即进入Sleep模式,需要先对寄存器进行设置,再进入工作模式。


需要设置7组寄存器。


  1. 转换时间寄存器(0x08,0x09,0x0A,0x0B)的值0x8329
  2. 建立时间寄存器(0x10,0x11,0x12,0x13)的值0x000A
  3. 分频器寄存器(0x14,0x15,0x16,0x17)的值0x2002
  4. ERROR_CONFIG寄存器(0x19)保持默认值,禁用INTB(最低位控制)。
  5. 多路复用寄存器MUX_CONFIG(0x1B)的值0xC20D
  6. 传感器驱动电流寄存器(0x1E,0x1F,0x20,0x21)的值0x7C00
  7. CONFIG寄存器(0x1A)0x1601 使用外部时钟源(0x1401使用内部时钟源)。这个寄存器最后设置。

 


  1. CONFIG寄存器个位的设置

 



 


 转存失败重新上传取消


15:14 b00,在0通道上执行连续转换


13 b0器件活动,b1器件休眠


12 保留,设置为b1


选用设置15:14:13:12 b0001启动器件在0通道上进行连续转换


11 b0全电流活动模式,b1低功耗活动模式


10 保留,设置为b1


9  b0使用内部时钟,b1使用外部时钟


8  保留,设置为b0


选用设置11:10:9:8 b0100全电流活动模式,使用内部时钟


7  b0中断禁用


6  b0所以通道用1.5mA max电流驱动,b1只有通道0用1.5mA电流驱动(单通道模式)


5:0 保留,设置为b000001


选用设置7:6:5:0 b0000 0001


综合设置b0001 0100 0000 0001 0x1401


7. 读取FDC2214各通道的值


7.1 FDC2214初始化CH0


要读取数据首先要初始化。下面是0通道的初始化序列:


  • 设置0通道的参考计数转换间隔时间。寄存器0x08,值0x8329 (0x8329*16)/55M ==9.76ms,每10ms左右可以读取一次值。

先查看原始值:


i2cget -y 1 0x2a 0x08 w


 


0x8000大小端交换0x0080,这是Reset值。


i2cset -y 1 0x2a 0x08 0x2983 w(注意大小端交换)


 


再读出来验证一下:


i2cget -y 1 0x2a 0x08 w


 


大小端交换:寄存器0x08的值为0x8329


  • 设置0通道的转换之前最小稳定时间。寄存器0x10,值0x000A

i2cset -y 1 0x2a 0x10 0x0A00 w


 


  • 设置传感器频率在0.01M到8.5M之间。寄存器0x14,值0x2002

i2cset -y 1 0x2a 0x14 0x0220 w


 


  • 使能0,1,2,3通道,且带宽设置为10M。寄存器0x1B,值0xC20D

i2cset -y 1 0x2a 0x1B 0x0DC2 w


 


  • 设置传感器时钟建立+4个通道的驱动电流0.146ma。寄存器0x1E,值0x7800

注意:手册中给出的建议值0x7C00有误,对照手册Table 41,应该是0x7800。


i2cset -y 1 0x2a 0x1E 0x0078 w


 


  • 使能FDC2214,且取内部时钟为参考时钟。寄存器0x1A,值0x1401

i2cset -y 1 0x2a 0x1A 0x0114 w


 


读出的值是0x4114,和设置的值不同,这是因为我们只设置了一个通道,下面我们将4个通道都设置再看看:


i2cset -y 1 0x2a 0x08 0x2983 w


i2cset -y 1 0x2a 0x09 0x2983 w


i2cset -y 1 0x2a 0x0A 0x2983 w


i2cset -y 1 0x2a 0x0B 0x2983 w



i2cset -y 1 0x2a 0x10 0x0A00 w


i2cset -y 1 0x2a 0x11 0x0A00 w


i2cset -y 1 0x2a 0x12 0x0A00 w


i2cset -y 1 0x2a 0x13 0x0A00 w



i2cset -y 1 0x2a 0x14 0x0220 w


i2cset -y 1 0x2a 0x15 0x0220 w


i2cset -y 1 0x2a 0x16 0x0220 w


i2cset -y 1 0x2a 0x17 0x0220 w



i2cset -y 1 0x2a 0x1B 0x0DC2 w



i2cset -y 1 0x2a 0x1E 0x0078 w


i2cset -y 1 0x2a 0x1F 0x0078 w


i2cset -y 1 0x2a 0x20 0x0078 w


i2cset -y 1 0x2a 0x21 0x0078 w



i2cset -y 1 0x2a 0x1A 0x0114 w


 


这次就对了。


7.2 数据结果寄存器


FDC2214的数值是28位的,这里我们需要读两个寄存器的值(以CH0为例)分别是0x00,和0x01。


从芯片手册可以知道(以CH0为例),0x01寄存器中为数据的低16位,0x00寄存器为数据的高12位,将两个数据合起来,即为相应的数据。


 



 7.3 读取数据


i2cget -y 1 0x2a 0x00 w


 


i2cget -y 1 0x2a 0x01 w


 


# 上面是空载数据,下面放指头在电容板上


 


7.4 用Shell脚本初始化FDC2214


下面用Shell脚本设置FDC2214 4个通道的寄存器。


  1. 新建一个名为fdc2214_init.sh的脚本

nano fdc2214_init.sh


 


  1. #!/bin/bash
  2. echo 4 > /sys/class/gpio/export
  3. echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction
  4. echo 1 > /sys/class/gpio/gpio4/value
  5. echo 0 > /sys/class/gpio/gpio4/value
  6. i2cset -y 1 0x2a 0x08 0x2983 w
  7. i2cset -y 1 0x2a 0x09 0x2983 w
  8. i2cset -y 1 0x2a 0x0A 0x2983 w
  9. i2cset -y 1 0x2a 0x0B 0x2983 w
  10. i2cset -y 1 0x2a 0x10 0x0A00 w
  11. i2cset -y 1 0x2a 0x11 0x0A00 w
  12. i2cset -y 1 0x2a 0x12 0x0A00 w
  13. i2cset -y 1 0x2a 0x13 0x0A00 w
  14. i2cset -y 1 0x2a 0x14 0x0220 w
  15. i2cset -y 1 0x2a 0x15 0x0220 w
  16. i2cset -y 1 0x2a 0x16 0x0220 w
  17. i2cset -y 1 0x2a 0x17 0x0220 w
  18. i2cset -y 1 0x2a 0x1B 0x0DC2 w
  19. i2cset -y 1 0x2a 0x1E 0x0078 w
  20. i2cset -y 1 0x2a 0x1F 0x0078 w
  21. i2cset -y 1 0x2a 0x20 0x0078 w
  22. i2cset -y 1 0x2a 0x21 0x0078 w
  23. i2cset -y 1 0x2a 0x1A 0x0114 w



  • 为fdc2214_init.sh添加可执行权限

chmod +x fdc2214_init.sh


  • 运行脚本初始化FDC2114

./fdc2214_init.sh


 


  • 查看CH0的数据

初始化完成后就可以查看了:


i2cget -y 1 0x2a 0x00 w


 


i2cget -y 1 0x2a 0x01 w


 


7.5 用Shell脚本读FDC2214数据


  • 新建一个名为read_data.sh的脚本

FDC2214的数值是28位的,这里我们需要读两个寄存器的值(以CH0为例)分别是0x00,和0x01。


从芯片手册可以知道(以CH0为例),0x01寄存器中为数据的低16位,0x00寄存器为数据的高12位,将两个数据合起来,即为相应的数据。


nano read_data.sh


 


  1. #!/bin/bash
  2. while true
  3. do
  4. # CH0
  5. data00=$(i2cget -y 1 0x2a 0x00 w)
  6. let “data00L=data00&0x00ff”
  7. data00L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data00L}</span>
  8. let “data00H=data00>>8&0x00ff”
  9. data00H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data00H}</span>
  10. let “data00W=data00L<<8|data00H”
  11. data00W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data00W}</span>
  12. data01=$(i2cget -y 1 0x2a 0x01 w)
  13. let “data01L=data01&0x00ff”
  14. data01L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data01L}</span>
  15. let “data01H=data01>>8&0x00ff”
  16. data01H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data01H}</span>
  17. let “data01W=data01L<<8|data01H”
  18. data01W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data01W}</span>
  19. let “data0=data00W<<16|data01W”
  20. #data0=printf "0x%08x\n" ${data0} # 十六进制
  21. echo “data0: ${data0}
  22. #CH1
  23. data02=$(i2cget -y 1 0x2a 0x02 w)
  24. let “data02L=data02&0x00ff”
  25. data02L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data02L}</span>
  26. let “data02H=data02>>8&0x00ff”
  27. data02H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data02H}</span>
  28. let “data02W=data02L<<8|data02H”
  29. data02W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data02W}</span>
  30. data03=$(i2cget -y 1 0x2a 0x03 w)
  31. let “data03L=data03&0x00ff”
  32. data03L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data03L}</span>
  33. let “data03H=data03>>8&0x00ff”
  34. data03H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data03H}</span>
  35. let “data03W=data03L<<8|data03H”
  36. data03W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data03W}</span>
  37. let “data1=data02W<<16|data03W”
  38. #data1=printf "0x%08x\n" ${data1}
  39. echo “data1: ${data1}
  40. #CH2
  41. data04=$(i2cget -y 1 0x2a 0x04 w)
  42. let “data04L=data04&0x00ff”
  43. data04L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data04L}</span>
  44. let “data04H=data04>>8&0x00ff”
  45. data04H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data04H}</span>
  46. let “data04W=data04L<<8|data04H”
  47. data04W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data04W}</span>
  48. data05=$(i2cget -y 1 0x2a 0x05 w)
  49. let “data05L=data05&0x00ff”
  50. data05L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data05L}</span>
  51. let “data05H=data05>>8&0x00ff”
  52. data05H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data05H}</span>
  53. let “data05W=data05L<<8|data05H”
  54. data05W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data05W}</span>
  55. let “data2=data04W<<16|data05W”
  56. #data2=printf "0x%08x\n" ${data2}
  57. echo “data2: ${data2}
  58. #CH3
  59. data06=$(i2cget -y 1 0x2a 0x06 w)
  60. let “data06L=data06&0x00ff”
  61. data06L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data06L}</span>
  62. let “data06H=data06>>8&0x00ff”
  63. data06H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data06H}</span>
  64. let “data06W=data06L<<8|data06H”
  65. data06W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data06W}</span>
  66. data07=$(i2cget -y 1 0x2a 0x07 w)
  67. let “data07L=data07&0x00ff”
  68. data07L=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data07L}</span>
  69. let “data05H=data05>>8&0x00ff”
  70. data07H=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%02x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data07H}</span>
  71. let “data07W=data07L<<8|data07H”
  72. data07W=<span class="hljs-built_in">printf</span> <span class="hljs-string">"0x%04x\n"</span> <span class="hljs-variable">${data07W}</span>
  73. let “data3=data06W<<16|data07W”
  74. #data3=printf "0x%08x\n" ${data3}
  75. echo “data3: ${data3}
  76. echo “ “
  77. sleep 1
  78. done



  • 为read_data.sh添加可执行权限

chmod +x read_data.sh


  • 运行脚本

./read_data.sh




参考文档


树莓派系列教程10:I2C


https://www.waveshare.net/study/article-603-1.html


树莓派开发笔记(八):GPIO口的I2C使用(BME280三合一传感器:温度、湿度、气压测量)


https://blog.csdn.net/qq21497936/article/details/79775665?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase


【LDC1314】电感传感器中文手册与检测原理介绍


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