【瑞萨RA × Zephyr评测】iic测试(AHT20 (SCI I2C))

Zephyr 4.3 开发笔记：Renesas RA 驱动 AHT20 (SCI I2C)

日期: 2025年
平台: Renesas RA 系列 (使用 SCI 模拟 I2C)
硬件环境:

• 传感器: AHT20 (I2C 地址 0x38) 连接于 P410/P411
• 显示屏: SSD1306 (SPI)
• 关键硬件特性: I2C 总线外部上拉电阻为10kΩ

1. 核心问题分析

1.1 资源冲突：SCI0 (UART vs I2C)

现象：
默认情况下，Zephyr 会将系统的控制台 (Console/Shell) 映射到UART0。在瑞萨 RA 芯片的硬件层面上，UART0和我们使用的 I2C 接口通常都指向同一个物理模块——SCI0 (Serial Communications Interface 0)。

冲突原因：
SCI 模块是多功能的，但在同一时刻只能工作在一种模式下（UART、I2C 或 SPI）。

• 默认配置：Zephyr 尝试初始化 SCI0 为 UART 模式用于打印日志。
• 应用需求：传感器 AHT20 接在 P410/P411 引脚，这两个引脚对应 SCI0 的 I2C 功能。
• 结果：如果不同时禁用 UART 控制台，I2C 驱动将无法获取 SCI0 硬件锁，导致初始化失败或引脚配置冲突。

解决方案：
必须在设备树中删除控制台属性并禁用 UART0 节点，完全释放 SCI0 给 I2C 驱动使用。

1.2 信号质量：10kΩ 大电阻导致的波形畸变

现象：
通常 I2C 推荐 4.7kΩ 或 2.2kΩ 上拉电阻。当前硬件使用了10kΩ，导致在 100kHz 频率下，信号（尤其是时钟信号）上升沿过缓（呈鲨鱼鳍状）。SCI 硬件对边沿检测严格，从而引发I2C_MASTER_EVENT_ABORTED错误。

解决方案 (软件配置)：
利用设备树pinctrl对 SDA 和 SCL 采用差异化配置，无需修改硬件即可解决：

• SDA (数据):Open-Drain + 内部上拉(内部上拉与外部 10k 并联，降低阻值，改善波形)。
• SCL (时钟):Push-Pull (推挽)(利用 MCU 主动驱动高电平，彻底消除大电阻带来的上升沿延迟)。

2. 最终代码实现

2.1 设备树配置 (app.overlay)

请注意chosen节点中的删除操作，以及pinctrl中的差异化配置。

/* * 硬件连接配置: * SSD1306 (SPI): SCK=P111, MOSI=P109, D/C=P110, CS=P301, RES=P208 * AHT20 (I2C): SDA=P411, SCL=P410 (通过 SCI0) */ #include <zephyr/dt-bindings/gpio/gpio.h> #include <zephyr/dt-bindings/pinctrl/renesas/pinctrl-ra.h> / { chosen { zephyr,display = &ssd1306_spi; /* * [冲突解决] 禁用控制台 * 因为 UART0 和 I2C 共享 SCI0 硬件资源，必须禁用控制台以释放 SCI0。 */ /delete-property/ zephyr,console; /delete-property/ zephyr,shell-uart; }; }; /* 强制开启 IO Port 控制器 */ &ioport1 { status = "okay"; }; &ioport2 { status = "okay"; }; &ioport3 { status = "okay"; }; &ioport4 { status = "okay"; }; /* * [冲突解决] 禁用 UART0 节点 * 确保 UART 驱动不会尝试初始化 SCI0 */ &uart0 { status = "disabled"; }; &pinctrl { /* SPI0 屏幕引脚 */ spi0_new_custom: spi0_new_custom { group1 { psels = <RA_PSEL(RA_PSEL_SPI, 1, 9)>, <RA_PSEL(RA_PSEL_SPI, 1, 11)>; drive-strength = "high"; }; }; /* * [信号优化] SCI0 I2C 引脚配置 * 针对 10kΩ 外部上拉电阻的特殊优化 */ sci0_i2c_custom: sci0_i2c_custom { /* * SDA (P411): 配置为开漏 + 内部上拉 * 必须是开漏 (I2C标准)。开启内部上拉以辅助外部的 10k 电阻。 */ group_sda { psels = <RA_PSEL(RA_PSEL_SCI_0, 4, 11)>; drive-strength = "medium"; bias-pull-up; /* 关键：内部电阻并联外部电阻 */ drive-open-drain; /* 关键：双向通信必须开漏 */ }; /* * SCL (P410): 配置为推挽输出 * 这里的技巧是不设置 drive-open-drain。 * 推挽模式下 MCU 主动拉高 SCL，无视 10k 电阻的影响，保证时钟边缘陡峭。 */ group_scl { psels = <RA_PSEL(RA_PSEL_SCI_0, 4, 10)>; drive-strength = "medium"; }; }; }; /* SCI0 模块配置为 I2C 模式 */ &sci0 { status = "okay"; pinctrl-0 = <&sci0_i2c_custom>; pinctrl-names = "default"; sci0_i2c: i2c { compatible = "renesas,ra-i2c-sci"; status = "okay"; channel = <0>; clock-frequency = <100000>; /* 100kHz 标准速率 */ #address-cells = <1>; #size-cells = <0>; /* AHT20 传感器配置 (复用 DHT20 驱动) */ aht20: dht20@38 { compatible = "aosong,dht20"; reg = <0x38>; }; }; }; /* SPI0 屏幕配置 */ &spi0 { status = "okay"; pinctrl-0 = <&spi0_new_custom>; pinctrl-names = "default"; cs-gpios = <&ioport3 1 GPIO_ACTIVE_LOW>; ssd1306_spi: ssd1306@0 { compatible = "solomon,ssd1306fb"; reg = <0>; spi-max-frequency = <4000000>; width = <128>; height = <64>; segment-offset = <0>; page-offset = <0>; display-offset = <0>; multiplex-ratio = <63>; segment-remap; com-invdir; prechargep = <0x22>; >2.2 项目配置 (prj.conf)
必须在 Kconfig 层面彻底关闭串口功能，防止内核尝试调用串口驱动。
CONFIG_HEAP_MEM_POOL_SIZE=4096 CONFIG_MAIN_STACK_SIZE=2048 # [冲突解决] 禁用串口控制台 # 这一步至关重要，否则 UART 驱动会抢占 SCI0 寄存器 CONFIG_SERIAL=n CONFIG_CONSOLE=n CONFIG_UART_CONSOLE=n # 硬件驱动支持 CONFIG_GPIO=y CONFIG_I2C=y CONFIG_SPI=y # 传感器驱动: AHT20 (使用 DHT20 兼容驱动) CONFIG_SENSOR=y CONFIG_DHT20=y # 显示驱动 CONFIG_DISPLAY=y CONFIG_SSD1306=y CONFIG_CHARACTER_FRAMEBUFFER=y # 允许 printf 处理浮点数 CONFIG_CBPRINTF_FP_SUPPORT=y
2.3 主程序 (main.c)
/* * Zephyr AHT20 + SSD1306 演示程序 */#include<zephyr/kernel.h>#include<zephyr/device.h>#include<zephyr/drivers/display.h>#include<zephyr/drivers/sensor.h>#include<zephyr/display/cfb.h>#include<stdio.h>intmain(void){conststructdevice*dev_disp;conststructdevice*dev_sensor;uint8_tfont_height;uint8_tfont_width;charbuf[32];/* 1. 初始化屏幕 */dev_disp=DEVICE_DT_GET(DT_CHOSEN(zephyr_display));if(!device_is_ready(dev_disp)){return0;}display_blanking_off(dev_disp);if(cfb_framebuffer_init(dev_disp)){return0;}cfb_framebuffer_set_font(dev_disp,0);cfb_get_font_size(dev_disp,0,&font_width,&font_height);/* 2. 获取传感器 (AHT20) */dev_sensor=DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(aht20));while(1){structsensor_valuetemp,humidity;bool sensor_ok=false;/* 读取传感器 */if(device_is_ready(dev_sensor)){/* AHT20 必须先 fetch 更新数据，再 get 获取数值 */if(sensor_sample_fetch(dev_sensor)==0){sensor_channel_get(dev_sensor,SENSOR_CHAN_AMBIENT_TEMP,&temp);sensor_channel_get(dev_sensor,SENSOR_CHAN_HUMIDITY,&humidity);sensor_ok=true;}}/* --- 屏幕显示 --- */cfb_framebuffer_clear(dev_disp,false);cfb_print(dev_disp,"AHT20 Monitor",0,0);if(sensor_ok){doublet_val=sensor_value_to_double(&temp);doubleh_val=sensor_value_to_double(&humidity);snprintf(buf,sizeof(buf),"Temp: %.1f C",t_val);cfb_print(dev_disp,buf,0,font_height+5);snprintf(buf,sizeof(buf),"Humi: %.1f %%",h_val);cfb_print(dev_disp,buf,0,(font_height*2)+5);}else{cfb_print(dev_disp,"Sensor Error!",0,font_height+5);if(!device_is_ready(dev_sensor)){cfb_print(dev_disp,"Init Fail (SCI?)",0,(font_height*2)+5);}else{cfb_print(dev_disp,"Read Fail",0,(font_height*2)+5);}}/* 运行状态指示条 */staticintcount=0;structcfb_positionstart={0,62};structcfb_positionend={(count%128),63};cfb_draw_rect(dev_disp,&start,&end);count+=5;cfb_framebuffer_finalize(dev_disp);k_sleep(K_MSEC(1000));}return0;}