I2C總線的基本結(jié)構(gòu)

I2C -1-----I2C的基本結(jié)構(gòu)

引言：我們將討論一些用于實(shí)施I2C硬件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，利用簡(jiǎn)單、穩(wěn)健的低成本協(xié)議在IC之間進(jìn)行通信，同時(shí)盡可能減少引腳數(shù)量。隨著外設(shè)部件的種類日益增多，I2C能夠給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)的好處顯而易見：很多器件都會(huì)使用I2C接口，這里我們只列舉幾種可以使用的器件：IO擴(kuò)展器、溫度傳感器、光傳感器、存儲(chǔ)器、鍵盤掃描儀、壓力傳感器、濕度傳感器、ADC、DAC以及I2C協(xié)議中使用的多種其他器件。

1.I2C的結(jié)構(gòu)

在I2C總線上，如圖1-1所示，主設(shè)備可以連接到一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備?？偩€只包含兩條線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL。

圖1-1：I2C總線上掛四個(gè)設(shè)備

圖1-2表示了SDA/SCL線上從設(shè)備或主設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化視圖，包括用于讀取輸入數(shù)據(jù)的緩沖器和用于傳輸數(shù)據(jù)的下拉FET。設(shè)備只能將總線拉低(提供對(duì)地短路)或釋放總線(對(duì)地高阻抗)，并允許上拉電阻器拉高總線電壓。這是在處理I2C設(shè)備時(shí)要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要概念，因?yàn)闆](méi)有設(shè)備可以將總線保持在高位。這一特性允許進(jìn)行雙向通信。

圖1-2：內(nèi)部開漏式驅(qū)動(dòng)器和緩沖器

圖1-3所示主器件拉低了總線，因此在總線上生成了低電平信號(hào)，信號(hào)向右傳輸。

圖1-3：主機(jī)向從機(jī)發(fā)信息

隨后，我們可以看到從器件拉低了總線，然后生成了低電平信號(hào)(圖1-4)，信號(hào)向左傳輸。

圖1-4：從機(jī)向主機(jī)發(fā)信息

漏極開路是指一種輸出類型，它可以將總線拉低至電壓(在大多數(shù)情況下為接地)，或者“釋放”總線，讓其被上拉電阻器拉高。如果總線被主設(shè)備或從設(shè)備占用，當(dāng)從設(shè)備或主設(shè)備希望傳輸邏輯高電平時(shí)，它只能通過(guò)關(guān)閉下拉FET來(lái)釋放總線。這使總線浮動(dòng)，上拉電阻器將總線電平拉至電壓軌，這將被解釋為高。由于沒(méi)有任何設(shè)備可以在線路上強(qiáng)制設(shè)置高電平，這意味著總線永遠(yuǎn)不會(huì)遇到通信問(wèn)題，其中一個(gè)設(shè)備可能會(huì)嘗試傳輸高電平，而另一個(gè)設(shè)備會(huì)傳輸?shù)碗娖?，從而?dǎo)致短路(電源軌接地)。I2C要求，如果多主機(jī)環(huán)境中的主機(jī)發(fā)送高信號(hào)，但看到線路低(另一個(gè)設(shè)備正在將其拉低)，則由于另一設(shè)備正在使用總線而停止通信。推拉接口不允許這種自由的類型，這是I2C的優(yōu)點(diǎn)。這樣，它就具備了雙向性質(zhì)。

2.I2C的地址和模式

SCL(串行時(shí)鐘)= 這是一個(gè)由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方波，控制數(shù)據(jù)發(fā)送的速度以及數(shù)據(jù)鎖存到從設(shè)備的時(shí)間。

SDA(串行數(shù)據(jù))= 主數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)以半雙工方式與時(shí)鐘脈沖同步放置在這條線上。這條線上的數(shù)據(jù)包括地址、控制和通信數(shù)據(jù)。

I2C協(xié)議是8位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這是大多數(shù)微控制器和處理器中常用的數(shù)據(jù)格式。這樣主器件 即可使用7位或10位地址與從器件進(jìn)行通信。8位中的7位表示地址。最后一個(gè)位表示消息的方向，高電平表示讀取操作，低電平表示寫入操作。I2C協(xié)議基于地址，這意味著所有從器件都有一個(gè)唯一的地址，此地址通常是在硬件中將地址引腳連接到邏輯高電平或低電平而確定的。

? I2C中的典型尋址為7位尋址，具有用于讀或?qū)懼甘镜母郊游?/p>

? I2C總線上的每個(gè)設(shè)備必須具有唯一地址

? 重復(fù)地址將導(dǎo)致通信錯(cuò)誤

? 某些設(shè)備可能具有引腳可編程I2C地址

圖1-5：帶器件地址編程引腳

在圖1-5中，我們會(huì)看到地址引腳A2、A1、A0拉至接地。這樣二進(jìn)制的地址 就是1、1、1、0、0、0、0，以十六進(jìn)制表示為70。有些從器件沒(méi)有地址引腳，而是采用無(wú)法更改的靜態(tài)內(nèi)部地址，而有的則是采用寄存器配置內(nèi)部地址，但它有一個(gè)默認(rèn)地址。讓總線采用并聯(lián)連接是一種別出心裁且非常有用的做法，原因在于器件非常簡(jiǎn)單，可以連接到總線上的任意位置。此外，還可以隨時(shí)連接這些版本的從器件。

I2C總線具有多種運(yùn)行模式。每種模式都涵蓋多個(gè)運(yùn)行時(shí)鐘頻率并具有多種用來(lái)約束協(xié)議的限制。對(duì)每種模式最重要的要求是最高時(shí)鐘頻率、最大總線電容和最長(zhǎng)上升時(shí)間，I2C標(biāo)準(zhǔn)中定義了所有這些要求。三種最常用的運(yùn)行模式包括：標(biāo)準(zhǔn)模式，運(yùn)行頻率介于0-100KHZ之間，最大總線電容為400pF，最長(zhǎng)上升時(shí)間為1000ns;快速模式，運(yùn)行頻率介于0-400KHZ之間，最大總線電容為400pF，最長(zhǎng)上升時(shí)間為300ns;以及超快速模式，運(yùn)行頻率介于0-1000KHZ之間，最大總線電容為550pF，最長(zhǎng)上升時(shí)間為120ns。表1-1：

表1-1：運(yùn)行模式一覽

3.I2C的總線電容

I2C協(xié)議物理層是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙線總線，利用開漏架構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向通信，而不像其他接口那樣使用推挽或差分驅(qū)動(dòng)器。主器件和從器件具有用于SCL和SDA的輸入緩沖器，并可以具有用于SCL和SDA的開漏驅(qū)動(dòng)器，始終存在一個(gè)用于生成高電平的外部電路。在大多數(shù)情況下，此操作由上拉電阻器執(zhí)行。這表明主器件或從器件都可以 使用開漏驅(qū)動(dòng)器在總線上拉低，以生成0或低電平。也就是說(shuō)，會(huì)打開N通道，在某些情況下是雙極NPN。 高電平完全取決于上拉電阻器。必須注意的是，I2C標(biāo)準(zhǔn)為每種運(yùn)行模式指定了 最大總線總電容。這包括總線上由于跡線而產(chǎn)生的寄生電容(寄生電容的計(jì)算方式后面會(huì)講到)，此電容是總線及其回路接地的寬度、長(zhǎng)度、電介質(zhì)材料以及它們之間的距離的一個(gè)函數(shù)，如圖1-6所示。總線中的每個(gè)器件也會(huì)導(dǎo)致總線的電容增大。

圖1-6：I2C總線上的總線電容

I2C標(biāo)準(zhǔn)為每種運(yùn)行模式限制了總線電容Cbus的總量，此值定義了最高時(shí)鐘頻率。為了滿足所使用運(yùn)行模式的時(shí)序要求，我們需要保持在最長(zhǎng)上升時(shí)間規(guī)格內(nèi)，圖1-7表征了總線電容的充放電效應(yīng)導(dǎo)致上升沿變緩。

圖1-7：總線電容充電效應(yīng)帶來(lái)的影響

SCL和SDA的最長(zhǎng)上升時(shí)間規(guī)格由我們的上拉NC總線所創(chuàng)建的RC時(shí)間常數(shù)控制，并被定義為從VIL過(guò)渡到VIH時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間如圖1-8定義。

圖1-8：Rise time 定義為30%-70%