為什么內(nèi)部集成電路 (I2C) 總線使連接 IC 變得如此簡單——以及如何使用該總線

作者：Art Pini

若在印刷電路板（PC 板）上使用并行總線來實現(xiàn)集成電路間的通信和控制，這樣做不太符合實際。即便是 8 位處理器，僅數(shù)據(jù)方面就要使用 16條線，而地址總線需要的線數(shù)還要更多。如果一條共享的通信總線上需要使用多個 IC，那就更成問題了。這是因為空間不夠用，無法滿足所有這些 PC板走線。解決辦法是使用內(nèi)部集成電路 （I2C） 總線等串行通信總線來鏈接 IC。這種雙線串行總線可用于解決該問題。

本文將介紹 I2C 總線的起源，及其如何在 IC 之間提供有效的串行鏈路。然后，本文將討論 I2C總線的物理實現(xiàn)方式、協(xié)議結(jié)構(gòu)，以及這種無處不在的通信總線的常見應(yīng)用。其中將使用 Microchip Technology 的 I2C接口和解決方案示例進行演示。此外，本文還將討論 I2C 與系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 的異同。

什么是 I2C 總線？

在 1980 年代早期，I2C 總線由 Phillips Semiconductors（現(xiàn)為 NXP Semiconductors）開發(fā)。這是一種簡單的雙向雙線總線，可在一塊共用 PC 板上實現(xiàn)集成電路的有效通信和控制。最早的總線規(guī)格于 1992
年完成，隨后即成為行業(yè)公認標準，并且 50 多家 IC 制造商的元器件中都提供該標準。這種大規(guī)模的部署允許采用一種系統(tǒng)方法進行設(shè)計，可以輕松地將 IC 納入I2C 總線結(jié)構(gòu)中，而無需進行定制設(shè)計。其他幾種專用總線（例如 SMBus 和電源管理總線 （PMBus））以及另外一些總線均采用該基本架構(gòu)。

I2C 總線是一種可尋址總線，因此可以鏈接多個 IC 和傳感器；7 位或 10 位地址字段允許主控器件向選定器件發(fā)送消息。最初，I2C 的最大時鐘速度為100 千赫茲 （kHz），但是經(jīng)過多年的發(fā)展，更高速的工作模式已將這一限制推高至 3.4 兆赫茲 （MHz）。

I2C 總線使用兩條線，即指定為串行數(shù)據(jù)線路 （SDA） 和串行時鐘線路 （SCL）。SDA 和 SCL是開漏/集電極雙向線路，并通過電流源或上拉電阻連接到正電源總線。該總線可以連接多個器件，最大數(shù)量受總線電容限制。主控器件控制著總線，總線上的每個器件都有唯一的地址。主控器件可以通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)（圖 1）。I2C 支持多主控操作，其沖突檢測和仲裁功能可防止兩個或更多主控器件同時啟動數(shù)據(jù)傳輸。不過，本文將重點介紹單主控配置。

圖 1 顯示了 Microchip Technology 的 PKSERIAL-I2C1 I2C 演示板原理圖。該演示板使用五種不同的器件來實現(xiàn) I2C總線，包括 EEPROM、溫度傳感器、12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和 8位串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器。主控器件不在板上，而是通過連接器 P1 連接。SDA 和 SCL 總線線路以綠色框出，上拉電阻器以藍色圈出。

SDA 和 SCL 電平一般為正電源電壓的固定百分比，通常表示為 VDD。對于邏輯“1”（高）和邏輯“0”（低），參考電平分別設(shè)置為 VDD 的 70%和 30%。

時鐘信號以猝發(fā)模式出現(xiàn)，每個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位使用一個時鐘。時鐘處于高電平時，SDA 線路上的數(shù)據(jù)必須有效。只有在時鐘處于低電平時，才能更改數(shù)據(jù)。

從設(shè)計人員的角度來看，由于 I2C 接口已集成到 IC 中而無需設(shè)計接口，因此新項目得以簡化。每個器件只需直接連接到總線。在總線上可以添加或移除IC，而不會影響其他電路（假設(shè) IC 的總數(shù)不會超越電容極限）。簡單的雙線總線可最大程度地減少每個 IC 上的引腳數(shù)和印刷電路板上的走線數(shù)。

I2C 協(xié)議

該總線為 8 位導向協(xié)議，以字節(jié)為單位進行通信。如上所述，在現(xiàn)在所謂的標準模式中，最初的最大時鐘速率為 100 kHz。如今，總線在快速模式下支持 400千比特/秒 （Kb/s），在快速增強模式下支持高達 1 兆比特/秒 （Mb/s），在高速模式 （Hs-Mode） 下支持高達 3.4 Mb/s。

通過圖示總線上的典型傳輸，可以很好地說明 I2C 協(xié)議（圖 2）。屏幕圖像的來源是 Teledyne LeCroy
的示波器，其包含低速串行數(shù)據(jù)觸發(fā)器和解碼選件 WS4KHD-EMB TD。該示波器選件可以觸發(fā)和解碼多達 19 個低速串行數(shù)據(jù)接口，其中就包括 I2C。

該示波器可以在特定的串行事件觸發(fā)，包括起始、停止、丟失應(yīng)答 （ACK）、地址、數(shù)據(jù)、地址加數(shù)據(jù)、幀長和 EEPROM數(shù)據(jù)傳輸。串行數(shù)據(jù)標準的協(xié)議組件由帶色碼的疊加層標識。每個協(xié)議字段都以二進制、十六進制或 ASCII 解碼，并且所選代碼顯示在疊加層內(nèi)。

SDA 信號顯示為黃色跡線，而 SCL信號顯示為紅色跡線?；疑寞B加框指示起始和停止功能。磚紅色疊加層標記地址數(shù)據(jù)，藍色字段為數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，橄欖色疊加框標記 ACK 功能。

頂部跡線顯示了從起始到停止的整個 I2C SDA 數(shù)據(jù)包。緊靠下方是相應(yīng)的 SCL 信號。再向下第三條跡線是 SDA 信號的時間擴展縮放跡線，其下方是同步SCL 信號。

在數(shù)據(jù)傳輸之間總線空閑時，SDA 和 SCL 線均處于高電平狀態(tài)。SCL 信號包括以時鐘速率發(fā)出的九個猝發(fā)脈沖，每個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位使用一個，還有一個用于ACK 位。

所有總線事務(wù)都由一個主控器件生成的起始位開始，該位在縮放的 SDA 軌跡中顯示為灰色疊加框。主控器件在 SCL 線處于高電平狀態(tài)時將 SDA線拉低，即表示起始信號。一旦主控器件發(fā)出起始位后，總線就即視為處于繁忙狀態(tài)。主控器件可以發(fā)出多次起始信號，這種情況下的后續(xù)起始信號通常稱為重新起始。

所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度均為 8 位（一個字節(jié)），每個后跟一個 ACK 位。位傳輸順序是先傳輸最高有效位
（MSB）。每個字節(jié)傳輸必須得到應(yīng)答。如果從器件處于繁忙狀態(tài)，而無法接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以將 SCL 線拉低。這將迫使主空器件進入等待狀態(tài)，直到從器件釋放SCL 線。

當發(fā)送器件在第九個應(yīng)答時鐘脈沖之前釋放 SDA 線后，即會形成 ACK 位。如果接收器件已接收到數(shù)據(jù)字節(jié)，則會將 SDA 線拉低。在圖 2 的 SDA放大視圖中，緊靠第九個時鐘脈沖之前有一個窄峰，這表示 SDA 線經(jīng)釋放返回到高電平狀態(tài)。接收器件拉低 SDA 線以產(chǎn)生 ACK信號，該信號由橄欖色疊加框作為符號標記。如果接收器件未在第九個時鐘脈沖之前將 SDA 線拉低，則是一個非應(yīng)答 （NACK） 響應(yīng)。如果發(fā)生NACK，則主控器件可以生成停止信號并中止傳輸，也可以發(fā)出重復(fù)起始信號以重試。

在起始條件之后，即會發(fā)出從器件地址。這由磚紅色疊加框表示。地址格式可能有兩種：7 位或 10 位，其中最常見的是 7 位地址。起始后的前 7位代表地址數(shù)據(jù)。第 8 位指示數(shù)據(jù)方向：讀或?qū)?。SDA 線處于低電平表示寫入，而此時 SDA 線處于高電平，表示讀取操作。10位尋址使用起始條件后的前兩個字節(jié)。I2C 為內(nèi)部功能保留了多個地址。解碼地址數(shù)據(jù)以二進制、十六進制或 ASCII 格式顯示在地址疊加框中。

藍色的疊加字段標記數(shù)據(jù)傳輸。每個為八位長，后跟一個 ACK/NACK 響應(yīng)。I2C 數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不受限制，但是圖 2 包含 17個字節(jié)。解碼后的數(shù)據(jù)（例如地址解碼）顯示在數(shù)據(jù)疊加框中。數(shù)據(jù)流之后是在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時主控器件生成的一個停止位，由頂部數(shù)據(jù)跡線中的灰色疊加框表示。當 SCL線處于高電平狀態(tài)時，該停止位是 SDA 線從低到高的跳變。在發(fā)出停止信號后，總線再次空閑。

顯示屏底部的表格匯總了有關(guān)數(shù)據(jù)包的所有信息，包括自觸發(fā)以來的時間、地址長度、地址，讀或?qū)懖僮?、?shù)據(jù)包長度，以及數(shù)據(jù)內(nèi)容的摘要。該表中的條目數(shù)與示波器獲取的I2C 數(shù)據(jù)包數(shù)相匹配，后者在本例中僅為一行。

如果發(fā)生協(xié)議錯誤，則由協(xié)議疊加框后面的亮紅色框表示。

I2C 器件

I2C 總線的最大優(yōu)勢之一是，有大量的器件已將該總線納入自己的設(shè)計中。Microchip Technologies 演示板提供了一些 IC類型的示例，這些 IC 包含 I2C 總線或其衍生品之一，如 SMBus。

Microchip Technology 的 PIC16F677 是一款 8位微控制器，其在許多嵌入式設(shè)計中均有采用。該產(chǎn)品實施了一個同步串口，經(jīng)過適當控制后，可通過串行外設(shè)接口 （SPI） 或 I2C 與其他控制器或外設(shè)進行通信（圖3）。

這款微控制器支持使用 7 位或 10 位尋址的 I2C 主模式和從模式。該器件將 SCK/SCL 引腳用于 I2C SCL 時鐘信號，將 SDI/SDA引腳用于數(shù)據(jù)信號。

這兩個引腳連接到 I2C 總線上的 SCL 和 SDA 線，以實現(xiàn)與其他器件的通信。常見的連接是連接至基于 I2C 的傳感器，例如 Microchip Technology 的 TCN75AVOA713 雙線串行溫度傳感器（圖 4）。

此溫度傳感器能夠進行串行通信，因此功能方面得以增強。內(nèi)置的用戶可編程寄存器可用于設(shè)置溫度測量分辨率、節(jié)能關(guān)機模式，甚至可設(shè)置警報輸出，以在溫度范圍超出預(yù)設(shè)限值時發(fā)出提醒。

此外，還有許多器件可以解碼 I2C 串行數(shù)據(jù)流并將其分解為并行數(shù)據(jù)。這里介紹一下 Microchip Technology 的 MIC74YQS-TR雙線 I/O 擴展器和風扇控制器（圖 5）。

該 IC 是完全可編程的 I/O 擴展器，提供八根獨立的 I/O 線。這些 I/O 線可以單獨編程為輸入或輸出。圖 5 顯示了 MIC74YQS-TR在串行總線的控制下驅(qū)動八個 LED。這與圖 1 中 I2C 演示板上 MCO23008 的用法相似。MIC74YQS-TR與電源穩(wěn)壓器結(jié)合使用，也可以使用其四個最高有效位來實現(xiàn)風扇電機的速度控制。

SMBus 和 I2C

I/O 擴展器的串行輸入是專為 SMBus 設(shè)計，但也與 I2C 總線兼容。SMBus 規(guī)格基于 I2C，由 Intel 和 Duracell 于1994 年定義。主要區(qū)別在于標準模式 I2C 邏輯電平相對于 VDD 變化，而 SMBus 的邏輯電平則是固定不變。在大多數(shù)情況下，當 VDD 介于 3 伏和5 伏之間時，經(jīng)驗表明這不是問題。

另一個區(qū)別是 SMBus 的時鐘速率限制為 100 kHz 或更低，而 I2C 有幾種模式支持更高的時鐘速率。當涉及總線兼容性時，這會將最大時鐘速率限制為100 kHz 或 I2C 標準時鐘模式。

因此，除了非常特殊的情況外，SMBus 和 I2C 都是兼容的。

總結(jié)

I2C 總線及其衍生品廣泛應(yīng)用于各種類型的數(shù)百種IC，從而使它們在多層面設(shè)計和應(yīng)用中易于連接?；旌闲盘柡?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬傳感器經(jīng)過耦合后，即可擴展基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)范圍。所有這些都通過一個簡單的雙線串行數(shù)字接口實現(xiàn)。