單元 3 · 感測器通訊介面

3.1 I2C 協定位元級回顧

I2C 兩線：SDA（資料）+ SCL（時脈），開集極 + 上拉電阻（RPi 通常 1.8k–4.7k 到 3.3V/1.8V）。所有傳輸以「位元」進行：

OV5647 寫入序列（16-bit register 位址，big-endian）：

3.2 實作一：掃描匯流排（含預期輸出）

RPi5 的 Camera 0 對應 i2c-22（Camera 1 對應 i2c-10）。

$ sudo i2cdetect -y 22
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
30:                   36                        --

看到 0x36 → 感測器在 I2C 上回應。全空 → 電源 / clock / reset / 位址 / 匯流排問題（決策樹見單元 6）。

3.3 實作二：讀感測器 ID（bring-up 第一驗證）

$ sudo i2cget -y 22 0x36 0x300a
0x56
$ sudo i2cget -y 22 0x36 0x300b
0x47
# 組合 0x5647 = OV5647 ✓

3.4 實作三：i2ctransfer 讀寫（16-bit 位址）

# w3 = 寫 3 byte：位址高、位址低、資料
$ sudo i2ctransfer -y 22 w3@0x36 0x30 0x34 0x1e
# 回讀：寫 2 byte 位址後讀 1 byte
$ sudo i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x30 0x34 r1
0x1e

i2cget 對 8-bit 位址感測器方便；OV 用 16-bit 位址，習慣用 i2ctransfer。

3.5 OV5647 的 page/bank 機制（易踩雷）

OV5647 部分 register 需先「切 bank」才能存取：

3.6 關鍵 register 群總表（後續單元引用）

3.7 安全準則

3.8 深入：I2C 時序與上拉電阻

I2C 可靠度與上拉電阻、匯流排電容高度相關：

3.9 Worked Example：完整的 I2C 讀取時序

i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x30 0x0a r1 就對應「寫 2 byte 位址後讀 1 byte」這整段時序。看懂這個，你就懂所有 I2C 感測器。

3.10 練習：寫一支 I2C 讀寫小工具

1. 用 i2ctransfer 讀回 0x300A/0x300B。
2. 改讀 0x3500（曝光高位），記錄值。
3. 練習「寫後回讀」驗證。

進階真實情境 Worked Example：用 i2ctransfer 追蹤 OV5647 streaming 時的曝光暫存器

場景：OV5647 正在串流，你想即時觀察 AE 演算法如何調整曝光暫存器。需要在不中斷串流的情況下，每秒讀取一次曝光值。

#!/bin/bash
# 持續監控 OV5647 曝光 register（不中斷 streaming）
echo "timestamp,exp_hi,exp_mid,exp_lo,total_lines"
for i in $(seq 1 60); do
  TS=$(date +%s.%N)
  # 讀 0x3501（高）、0x3502（中）、0x3503（低）
  EH=$(sudo i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x35 0x01 r1 2>/dev/null | awk '{print $1}')
  EM=$(sudo i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x35 0x02 r1 2>/dev/null | awk '{print $1}')
  EL=$(sudo i2ctransfer -y 22 w2@0x36 0x35 0x03 r1 2>/dev/null | awk '{print $1}')
  # 組合成曝光行數（16-bit，高 byte 在前）
  TOTAL=$(( (16#${EH#0x} << 8) | (16#${EM#0x}) ))
  echo "$TS,$EH,$EM,$EL,$TOTAL"
  sleep 1
done > exposure_log.csv

深入原理擴充：I2C 匯流排的电气限制與 RPi5 的多匯流排架構

RPi5 有兩條 Camera I2C 匯流排（i2c-22 對應 Camera 0、i2c-10 對應 Camera 1），各自獨立。但有幾個容易忽略的电气限制：

• 上拉電阻匹配：RPi5 Camera 0 的 I2C 預設上拉到 1.8V（因 OV5647 的 I/O 電壓為 1.8V）。若你的客製板用 3.3V 上拉，可能導致感測器 I/O 損壞。
• 匯流排電容限制：I2C Fast Mode（400kHz）要求總電容 ≤ 400pF。15cm 排線 + 感測器 + GPIO 穩約 150-200pF，加上示波器探棒（~15pF）已接近上限。
• 多感測器位址衝突：若兩顆 OV5647 接同一匯流排，I2C 位址都是 0x36——完全無法區分。必須分別接 Camera 0 和 Camera 1 的獨立匯流排。

診斷式疑難排解表

進階挑戰題

1. 寫一個 Shell 腳本，透過 I2C 動態修改 OV5647 的 PLL 暫存器（0x3034-0x3037），觀察 pixel clock 變化對幀率的影響。注意：修改 PLL 可能導致串流暫時中斷。
2. RPi5 的 i2c-22 與 i2c-10 各自的最大可靠傳輸速率是多少？設計一個腳本逐步提升 I2C 速度，找出兩條匯流排的速率上限。
3. 若要在同一條 I2C 匯流排上同時控制 OV5647（0x36）和一顆 EEPROM（假設 0x50），會遇到什麼問題？如何解決？

延伸閱讀

• 下一篇：單元 4 · 相機框架與驅動。
• Linux I2C 文件
• 學習路線：複習全站

專案級端到端 Worked Example：感測器 I2C 探針工具箱專案

場景：你將長期處理多顆 OV 感測器。與其每次打指令，不如建立一套可重用的 I2C 探針腳本：讀寫、dump、監控、回讀驗證一次到位。本專案整合單元 3（I2C 位元級）、6（bring-up）知識。

#!/bin/bash
# 用法：. ./sensor_probe.sh 然後用函式
BUS=22; ADDR=0x36
sensor_read()  {  # $1 = 16-bit register
  sudo i2ctransfer -y $BUS w2@$ADDR 0x${1:0:2} 0x${1:2:2} r1
}
sensor_write() {  # $1 = register, $2 = value
  sudo i2ctransfer -y $BUS w3@$ADDR 0x${1:0:2} 0x${1:2:2} $2
}
sensor_id() {
  echo "ID = $(sensor_read 300A)$(sensor_read 300B)"  # 預期 0x5647
}
sensor_dump() { # 關鍵 register 群
  for r in 300A 300B 3034 3035 3036 3037 3501 3502 3503 350A 350B; do
    printf "%s: %s\n" "$r" "$(sensor_read $r)"
  done
}
sensor_monitor() { # 串流中監控曝光，每秒一筆
  echo "t,exp_hi,exp_lo,gain"
  for i in $(seq 1 30); do
    EH=$(sensor_read 3501); EL=$(sensor_read 3502)
    GA=$(sensor_read 350A)
    echo "$(date +%s),$EH,$EL,$GA"
    sleep 1
  done
}

. ./sensor_probe.sh
sensor_id          # 預期：ID = 0x5647
sensor_read 3500   # 讀曝光高位
sensor_write 3034 0x18; sensor_read 3034   # 寫後回讀：預期 0x18
sensor_dump        # 完整快照，記錄下來做 bring-up log

量測/驗證 SOP：I2C 通訊健康驗證

1. sudo i2cdetect -y 22 確認 0x36 回應。
2. 讀 0x300A/0x300B 確認 ID = 0x5647。
3. 執行「寫後回讀」：寫 0x3034=0x18，回讀確認一致。
4. 在 streaming 時跑 sensor_monitor，確認讀值穩定（±1 內）。
5. 檢查 dmesg 無 I2C timeout 錯誤。
6. 記錄 bus 編號（Camera 0 → i2c-22，Camera 1 → i2c-10）。

平台間對照：I2C 存取工具

互動式檢核清單

• - [ ] 能背出 OV5647 16-bit register 的 big-endian 寫入序。
• - [ ] 已建立並驗證 sensor_probe.sh 工具箱。
• - [ ] 能完成「寫後回讀」驗證並解釋其意義。
• - [ ] 能說出 OV5647 與 OV5640 的 page 切換差異。
• - [ ] 能在 streaming 中監控曝光 register 並判讀穩定性。
• - [ ] 已記錄本機 Camera 0/1 的 I2C bus 編號。

第 3 輪深度加深

① Register 位元級完整工作流：SCCB 設定 OV5647 曝光時間

② 多層疑難排解決策樹

決策樹 A：I2C 寫入成功但感測器無反應

I2C 寫入成功但感測器無反應
├─ 檢查 A：確認是 SCCB 還是標準 I2C
│  ├─ SCCB 3-phase → i2cset 自動處理
│  └─ 非標準 → 需自訂 i2c driver
├─ 檢查 B：PLL 設定是否正確（0x3034-0x3037）
│  ├─ PLL 未鎖定 → pixel clock 為 0 → 無輸出
│  └─ PLL 鎖定 → 繼續
├─ 檢查 C：data lane 是否啟用（0x3000-0x3002）
│  ├─ 未啟用 → 寫入 0x00 到 0x3000（stream on）
│  └─ 已啟用 → 繼續
└─ 檢查 D：MCLK 是否送達感測器
   ├─ 無 MCLK → 外部時鐘源問題
   └─ 有 MCLK → 感測器內部問題，嘗試 reset sequence

③ 量測驗證完整 SOP：I2C/SCCB 通訊品質

1. 工具：邏輯分析儀（Saleae / Logic Pro 16）+ I2C decoder
2. 接線：SCL/SDA 探棒接至 CSI connector 對應腳位
3. 觸發：設定 SCL falling edge 觸發
4. 量測：
   a. SCL 頻率：標準 100kHz，快速 400kHz
   b. SDA rise time：預期 <1000ns (100kHz) / <300ns (400kHz)
   c. ACK/NACK 比率：10 次 transaction 中 NACK 次數
   d. Start/Stop 條件完整性
5. 判讀：NACK >1/10 = 通訊不穩；rise time 超標 = SDA pull-up 太弱
6. 常見偏差：排線過長 → rise time 增加；pull-up 電阻太大 → 速率受限

④ 四平台終極對照

⑤ 完整 Bring-up 專案 Checklist

• - [ ] 確認感測器 I2C 位址（i2cdetect -y 1）
• - [ ] 驗證 SCL 頻率符合感測器規格
• - [ ] 用邏輯分析儀擷取 10 次 I2C transaction
• - [ ] 確認 ACK 比率 ≥ 90%
• - [ ] 測試 SCCB write → read-back 一致性
• - [ ] 確認 MCLK 頻率（24MHz for OV5647）
• - [ ] 記錄 I2C bus 負載（幾顆 slave）
• - [ ] 測試不同 I2C 速率（100kHz vs 400kHz）穩定性