nanoFramework 筆記 - ESP32 連接 I2C 裝置

昨天介紹完可以用 C# 寫 ESP32 開發板程式的美妙開源平台 - nanoFramework，我迫不及待想把先前 Arduino C++ 寫的作品移植過來，但光是想接 I2C OLED 顯示器輸出文字就卡住三、四個小時...

其實早有心理準備，nanoFramework 仍在發展初期，用的 NuGet 套件全是 Preview 版，一方面參考文件、討論少，常缺乏現成可用的程式庫；另一方面找到的教學或範例也常因 API 規格修改失效，這是當先鋒部隊一定會面對的挑戰。跟寫 Arduino C++ 相比，過去那種「遇到任何問題，隨手一查就有滿滿的教學範例跟程式庫任你挑」的尊榮體驗不復存在，像是貴公子逃家，開始粗茶淡飯過日子。但是! 能用 C# 寫程式就是爽，付出一些代價也是值得的。

網路上 nanoFramework 整合 I2C 範例不多，用 ESP32 的更少。找到網友三年前寫的 SSD1306 OLED nanoFramework NuGet 程式庫，但因核心版本差異過大無法執行，加上原作者只測過 128x32 解析度的版本，不確定跟手上在用的 128x64 是否有差異。於是改了抓原始碼回來改，參考已在 Arduino C++ 驗證 OK 的 Adafruit 程式庫寫法進行調整，但怎麼改 OLED 顯示器都毫無動靜。搞了很久，直到我回頭寫了小程式去掃 I2C 位址，才發現問題出在 ESP32 偵測不到 I2C 裝置。朝此方向深入研究，這才知道，ESP32 因開發板種類眾多，Pin 腳設定依版本不同，故要參照 nanoFramework.Hardware.Esp32 套件使用 Configuration.SetPinFunction(..., DeviceFunction.I2C_DATA) 重新定義 I2C 腳位(我的板子，I2C1_DATA 是 21、I2C1_CLOCK 是 22)，這才測試成功，感動~

整理這次的心得：

• nanoFramework 處理 I2C 有兩套 NuGet 程式庫，nanoFramework.Windows.Devices.I2c 跟 nanoFramework.System.Device.I2c，Windows.Devices.I2c 下載次數多，更新日期新，網路範例幾乎也都是用 Windows.Devices.I2c，但它已被標註為過時(This package has been deprecated)，這類 UWP API 將由 .NET IoT API 取代，使用時別西瓜偎大邊，建議改用 System.Device.I2c。
• 寫 nanoFramework 不像 Arduino C++ 有一堆現成範例、程式庫裝了就可以跑。故測試時請從根本開始做起，例如要接 I2C 設備，建議從偵測 I2C 位址是否存在開始，不要像我誤以為是程式庫與裝罝不相容，查了大半天才發現是漏設 Pin 腳沒設，白花時間。
  附上掃瞄 I2C 位址的程式範例：

    using nanoFramework.Hardware.Esp32;
    using System;
    using System.Collections;
    using System.Device.I2c;
  
    namespace Guineapig.nfEsp32Lib.I2C
    {
        /// <summary>
        /// I2C device address scanner
        /// </summary>
        public class Scanner
        {
            /// <summary>
            /// Scan I2C device addresses
            /// </summary>
            /// <param name="busId">I2C bus id, 1 or 2. default 1</param>
            /// <param name="clockPin">Clock pin</param>
            /// <param name="dataPin">Data pin</param>
            /// <returns></returns>
            public static byte[] Scan(int busId = 1, int clockPin = 22, int dataPin = 21)
            {
                switch (busId) 
                {
                    case 1:
                        Configuration.SetPinFunction(clockPin, DeviceFunction.I2C1_CLOCK);
                        Configuration.SetPinFunction(dataPin, DeviceFunction.I2C1_DATA);
                        break;
                    case 2:
                        Configuration.SetPinFunction(clockPin, DeviceFunction.I2C2_CLOCK);
                        Configuration.SetPinFunction(dataPin, DeviceFunction.I2C2_DATA);
                        break;
                    default:
                        throw new ArgumentException($"Unsupported busId - {busId}");
                }
  
                ArrayList list = new();
                SpanByte b = new SpanByte(new byte[1]);
                // I2C address range from https://learn.adafruit.com/i2c-addresses/the-list
                for (byte addr = 0x0E; addr <= 0x77; addr++)
                {
                    using (var dev = I2cDevice.Create(new I2cConnectionSettings(busId, addr)))
                    {
                        var r = dev.Read(b);
                        if (r.Status == I2cTransferStatus.SlaveAddressNotAcknowledged) 
                            continue;
                        if (r.Status == I2cTransferStatus.FullTransfer ||
                            r.Status == I2cTransferStatus.PartialTransfer)
                        {
                            list.Add(addr);
                        }
                    }
                }
                return list.ToArray(typeof(byte)) as byte[];
            }
        }
    }
  

  實測如下：(雖然是很簡單的範例，我還是預先切好類別程式庫專案方便未來共用。這才是寫專案的正確姿勢，換回 C# 我終於擺脫老鳥魔咒了)
• 關於常見的 I2C 位址，Adafruit 有份完整清單可以參考，不愧是 Arduino 界的善心員外。
• 受限於嵌入式裝置的運算能力及記憶體、儲存空間，加上尚在發展初期，nanoFramework 與完整 .NET 功能有很大的差距，沒有 LINQ 在預期之內，連泛型(如 List<T>)也仍在開發中，未來才會加入，現階段要先用古老的 ArrayList 頂著，甚至也沒有 StringBuilder，有重回 .NET 1.0 的感覺。但老話一句，能用 C# 就是開心。