ESP32 - ULP 协处理器在超低功耗模式下软件模拟 I2C 读取光照传感器（汇编）

本文是关于 ESP32 - ULP 协处理器在低功耗模式下模拟 I2C 主机读取光照传感器 BH1750 的例子

1. I2C 管脚分配

软件模拟 I2C 的例子使用 RTC_GPIO9, RTC_GPIO8 两个管脚, 对应的 GPIO 管脚如下表

I2C_PIN	RTC_GPIO	GPIO
I2C_SCL	RTC_GPIO9	GPIO32
I2C_SDA	RTC_GPIO8	GPIO33

2.软件环境配置

ESP32 的 C 语言编译环境安装和配置参照链接地址，另外 ULP 协处理器目前只支持汇编编程，所以还需要安装汇编工具链，下面介绍汇编工具链的安装和配置。

2.1 汇编环境的配置

ULP 协处理器配置汇编编译工具链，只需两步即可安装配置完毕，下面给出 ubuntu 操作系统下配置的步骤，或者点击链接地址获得更多 ULP 编程信息

第一步, 下载工具链 binutils-esp32ulp toolchain 链接地址, 解压到需要安装的目录

第二步，添加工具链的 bin 目录到系统环境变量 PATH 中。例如我的解压目录是 /opt/esp32ulp-elf-binutils 那么添加 export PATH=/opt/esp32ulp-elf-binutils/bin:$PATH 这一行到 /home 目录的隐藏文件 .bashrc 文件最后一行，保存关闭文件并使用命令 source .bashrc 使上述环境变量生效

2.2 配置编译烧录

至此，汇编编译环境就安装好了，在 ulp_i2c_bitbang/ 目录下依次运行以下命令，进行 default config 配置并编译、烧录程序。

make defconfig

make all -j8 && make flash monitor

3. stack.S 堆栈宏说明

由于当前 ULP 协处理器汇编环境没有实现关于子函数的调用和返回堆栈保存等操作，需要用户来实现和构造这部分。所以在四个通用寄存器中我们牺牲 R3 寄存器用来当做栈指针，实现了 4 个关于堆栈操作的宏 PUSH、POP、PSR、RET，以上的宏在 stack.S 汇编文件中。

push，这个操作是把 Rx（R0，R1，R2）的数据压到 R3 所指向的栈里，栈指针向下增长

.macro push rx
    st \rx,r3,0
    sub r3,r3,1
.endm

pop，把 R3 所指向的栈里的数据保存到 Rx（R0,R1,R2）中，栈指针回退

.macro pop rx
    add r3,r3,1
    ld \rx,r3,0
.endm

psr，这个宏是计算出函数执行完毕后需要返回的地址，将其保存到栈上，即当前地址加上偏移 16 就是子函数跳转执行完毕后需要返回的地址

.macro psr 
    .set addr, (.+16)
    move r1, addr
    push r1
.endm

ret，此宏是把栈上保存的返回地址取出来，然后跳转到这个地址

.macro ret 
    pop r1
    jump r1
.endm

4. i2c.S 汇编函数说明

序号	汇编函数	传入参数	返回参数	传参形式	函数说明
1	i2c_start_cond	i2c_didInit, i2c_started	i2c_didInit, i2c_started	全局变量	检查是否初始化 I2C 管脚及是否进行过 I2C_START，初始化 I2C 管脚且发送 I2C_START 信号
2	i2c_stop_cond	-	i2c_started	全局变量	发送 I2C_STOP 信号，清除 i2c_started 值
3	i2c_write_bit	R0	-	寄存器	根据 R0 的值，发送 BIT0 或 BIT1
4	i2c_read_bit	-	R0	寄存器	从 SDA 数据线上读 1 Bit 的数据，保存在 R0 中
5	i2c_write_byte	R2	R0	寄存器	把 R2 中的数据发送出去，读取从机 ACK 保存在 R0 中，如果收到 Slave 的 ACK 返回 0
6	i2c_read_byte	R0	R0	寄存器	从 SDA 数据线上读取 1 Byte 数据并依据传入参数 R0 值回复 ACK 或 NACK，返回的数据保存在 R0 中

5. i2c_dev.S 汇编函数

序号	汇编函数	传入参数	返回参数	传参形式	函数说明
1	Read_BH1750	BH1750_ADDR_R, R2	R2	堆栈，全局变量	从 I2C BUS 上读 16bit 值
2	Cmd_Write_BH1750	Dev_addr, Command	-	堆栈	Write Command
3	Start_BH1750	Dev_addr, Command	-	堆栈	设置 BH1750 工作模式
4	Task_BH1750	-	-	-	读一次 BH1750 光照数值
5	waitMs	R2	-	寄存器	R2 传入需要延迟的 MS，例如 R2 = 5，则延迟 5MS

6. 读取光照传感器

I2C 设置 BH1750 的时序如下
i2c_command

I2C 测量 BH1750 的光照结果，时序如下
i2c_get

ULP 协处理器通过软件模拟 I2C 读取 BH1750 的光照强度打印在如下图中，通过遮挡传感器的光栅窗口可获得不同的光照数值。

light_result

7. 总结

我们构造了 4 个用于堆栈管理的宏，我们可以方便的进行函数跳转和函数返回，软件模拟 I2C 比硬件指令 I2C 更为灵活，可以实现更为大型和复杂的 ESP32 低功耗应用。