Learning Objectives
- 說明 I2C 為什麼兩條線就能接好幾個裝置，以及位址的作用
- 用 i2c.scan() 找出匯流排上的裝置，並用十六進位表示位址
- 用 readfrom_mem 讀取感測器暫存器，把收到的位元組拼成數值
- 用二補數的規則把讀值轉成負數，並換算成溫度、加速度等實際單位
兩條線接很多個裝置
上一課的 OLED 只用了 SCL、SDA 兩條訊號線。如果還要接溫度感測器、加速度計，需要再多幾支腳位嗎？不用。 I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種匯流排：好幾個裝置並聯在同一組兩條線上，各自有一個位址， 開發板（控制端，controller）先喊位址，被叫到的裝置（目標裝置，target）才回應。
這一課要回答：
- I2C 怎麼接線？怎麼知道匯流排上有哪些裝置？
- 什麼是感測器的「暫存器」？怎麼讀？
- 感測器回傳的是一串位元組，怎麼變成「25.5°C」這樣的數字？
接線
| 線 | 全名 | 作用 |
|---|---|---|
| SCL | Serial Clock | 時脈：由控制端產生，決定每個位元什麼時候讀取 |
| SDA | Serial Data | 資料：雙向，控制端與目標裝置輪流使用 |
| 3.3V、GND | 電源，所有裝置共地 |
ESP32 GPIO18 (SCL) ──┬────────┬────────┬───
ESP32 GPIO19 (SDA) ──┼──┬─────┼──┬─────┼──┬
OLED TMP102 MPU-6050
0x3C 0x48 0x68
兩條線都需要上拉電阻接到 3.3V（MicroPython 文件建議約 1～10 kΩ）。常見的感測器模組板多半已經焊好上拉電阻，
如果接上去之後 scan() 什麼都找不到，上拉電阻是要檢查的項目之一。
I2C 規格（NXP UM10204）定義了幾種速度，最常見的是標準模式 100 kbit/s 與快速模式 400 kbit/s；
MicroPython 建立 I2C 時用 freq= 指定，預設是 400 kHz。
逐步看：掃描匯流排上的裝置
scan() 會對 0x08～0x77 每個位址都喊一次，把有回應的位址放進串列。
位址是 7 位元的數字，習慣用十六進位寫：0x3C 和十進位的 60 是同一個數。
暫存器：感測器裡的小表格
每個 I2C 感測器內部都有一組暫存器（register），可以想成一張編了號碼的小表格，每一格存一個位元組： 有的格子放量測結果，有的格子放設定（量測範圍、省電模式…）。哪一格是什麼，要查感測器的規格書（datasheet）。
讀暫存器的步驟是：喊裝置位址 → 告訴它要從第幾號暫存器開始 → 讀回幾個位元組。MicroPython 把這三步包成一個函式：
data = i2c.readfrom_mem(裝置位址, 暫存器編號, 位元組數) # 回傳 bytes
i2c.writeto_mem(裝置位址, 暫存器編號, bytes([值])) # 寫入設定
裝置沒有回應時（位址寫錯、線沒接好），會發生 OSError，常見的訊息是 ENODEV。
位元組怎麼變成數字
一個位元組只有 0～255，感測器的讀值常常比這個大，所以會分成兩個位元組傳回來，程式要自己拼起來。 以 TMP102 溫度感測器為例（依 TI 的規格書）：溫度暫存器是 0x00，讀 2 個位元組，前 12 個位元是溫度， 每 1 單位代表 0.0625°C：
第 1 個位元組 第 2 個位元組
0001 1001 1000 0000
└──────┬──────────┘└─┬─┘
12 位元：0001 1001 1000 = 408 後 4 位元不用
408 × 0.0625 = 25.5°C
用位元運算寫：(data[0] << 4) | (data[1] >> 4)。<< 往左移（乘 2 的次方），>> 往右移，| 把兩段合起來。
逐步看：讀 TMP102 溫度暫存器
模擬中第二次讀取時溫度已經降到零下（像把感測器放進冰箱）。注意第二次收到的位元組， 以及第 12～13 行怎麼把它變成負數。
二補數：位元組裡的負數
位元組本身沒有正負號，感測器用二補數（two's complement）表示負數：最高位元是 1 就代表負數， 把讀到的值減掉 2 的「位元數」次方，就得到真正的值。
| 位元數 | 最高位元是 1 的條件 | 減掉 |
|---|---|---|
| 8 位元 | 值 ≥ 128 | 256 |
| 12 位元（TMP102） | 值 ≥ 2048（raw & 0x800） |
4096 |
| 16 位元（MPU-6050） | 值 ≥ 32768 | 65536 |
上一個範例第二次讀到 [252, 192]，拼成 4044，大於 2048，所以是 4044 - 4096 = -52，乘 0.0625 是 -3.25°C。
忘了這一步的話，程式會印出 252.75°C，這是讀感測器時很常見的錯誤。
先寫入設定，再讀資料
有些感測器開機時處於睡眠狀態，要先寫暫存器叫醒它。下一個範例的 MPU-6050（三軸加速度計＋陀螺儀） 位址是 0x68；依規格書，要先在電源管理暫存器 0x6B 寫入 0，再從 0x3B 開始連讀 6 個位元組， 依序是 X、Y、Z 軸各 2 個位元組（高位在前）。在 ±2g 的量程下，16384 代表 1g（一個重力加速度）。
逐步看：讀 MPU-6050 三軸加速度
模擬的感測器是傾斜放置的，所以重力分到三個軸上。看 to_int16 怎麼把兩個位元組拼成有正負號的 16 位元整數。
小測驗：匯流排與位址
i2c.scan() 回傳 [60, 104]，下面哪一個說法正確？
I2C 匯流排上的每一個裝置，SDA 和 SCL 怎麼接？
下面的程式會印出什麼？
for a in [60, 72, 104]:
print(hex(a), end=" ")
小測驗：位元組換算
下面的程式會印出什麼？
data = bytes([0x01, 0x2C])
v = (data[0] << 8) | data[1]
print(v)
下面的程式會印出什麼？（16 位元的二補數）
v = (0xFF << 8) | 0x38
if v >= 32768:
v -= 65536
print(v)
MPU-6050 在 ±2g 量程下，Z 軸讀到 8192，代表多少 g？
重點整理
- I2C 用 SCL（時脈）、SDA（資料）兩條線，所有裝置並聯，兩條線都要有上拉電阻；常見速度 100 kHz、400 kHz。
- 每個裝置有 7 位元位址，
i2c.scan()找出有回應的位址；用hex()對照規格書。 - 感測器的資料與設定放在暫存器：
readfrom_mem(位址, 暫存器, 位元組數)讀、writeto_mem(位址, 暫存器, bytes)寫。 - 多個位元組用
<<、|拼成一個數；最高位元是 1 時減掉 2 的位元數次方，就是二補數表示的負數。 - 依規格書換算單位：TMP102 每單位 0.0625°C；MPU-6050 在 ±2g 時 16384 代表 1g。
下一課介紹另一種常見的序列通訊：UART，GPS、藍牙序列模組都用它。