I2C系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的權(quán)衡取舍和微處理器的GPIO通信的基本操作

界面如何將快樂(lè)的面孔變成悲傷的面孔？當(dāng)界面正常工作時(shí)，工程師會(huì)露出快樂(lè)的面孔。悲傷的面孔表示某處失敗。由于微處理器和IC之間的接口很簡(jiǎn)單，甚至很容易，所以它們經(jīng)常被忽略，直到接口故障導(dǎo)致周圍悲傷的面孔。在本文中，我們將討論一個(gè)常見的SPI錯(cuò)誤，該錯(cuò)誤在大型系統(tǒng)中幾乎不可能找到。提供了指向界面教程信息的鏈接以獲取完整信息。還描述了作為系統(tǒng)問(wèn)題的噪聲以及將其影響降至最低的IC。

介紹

系統(tǒng)微處理器和集成電路 （IC） 之間的通用接口包括 SPI、I2C 和 GPIO。本文討論一個(gè)常見的SPI錯(cuò)誤，該錯(cuò)誤在大型系統(tǒng)中幾乎不可能發(fā)現(xiàn)。本文討論了噪聲作為系統(tǒng)問(wèn)題，并提到了將噪聲影響降至最低的IC。本文解釋了I2C系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的權(quán)衡取舍，并描述了來(lái)自微處理器的GPIO通信的基本操作。提供了指向教程信息的鏈接以供進(jìn)一步閱讀。

界面如何使快樂(lè)的臉變成悲傷的臉？

IC的通用接口包括SPI、I2C和GPIO。確定IC如何與微控制器或CPU接口對(duì)于任何成功的設(shè)計(jì)都非常重要。然而，微處理器和IC之間的接口很簡(jiǎn)單，甚至很容易，因此在許多設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視。在項(xiàng)目早期似乎節(jié)省的時(shí)間和精力可以讓設(shè)計(jì)工程師感到高興......此刻。這種情況讓人想起已成為日常生活一部分的快樂(lè)臉或無(wú)處不在的可愛(ài)“笑臉”表情符號(hào)是我們這里的隱喻。

工程師的“悲傷”面孔通常在項(xiàng)目后期出現(xiàn)墨菲定律“任何可能出錯(cuò)的東西，都會(huì)在最糟糕的時(shí)刻出錯(cuò)”籠罩著設(shè)計(jì)師彎曲的肩膀。這篇文章講述了一個(gè)悲傷的SPI接口故事，令人驚訝的是，這并不罕見。這是一個(gè)關(guān)于界面的操作如何使快樂(lè)的臉悲傷的故事。

“我的電腦討厭我，我的SPI總線在它想要的時(shí)候隨機(jī)做它想做的事。

基本 SPI 操作

串行外設(shè)接口總線或摩托羅拉命名的SPI（發(fā)音為“間諜”）總線是在全雙工模式下運(yùn)行的同步串行數(shù)據(jù)總線。3設(shè)備以主/從模式通信，主設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀。允許使用單獨(dú)的從選擇（即片選）線路使用多個(gè)從設(shè)備。有時(shí)，SPI接口稱為“三線”（即不從從機(jī)回讀）或“四線”串行總線。4具有單向信號(hào)的SPI接口提供輕松的電氣隔離，以減少工廠中的接地回路。這種SPI接口稱為單向接口，因?yàn)樗母鶎?dǎo)線中的每一根都只在一個(gè)方向上傳遞信息。電流隔離可以通過(guò)光學(xué)、電容或變壓器耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一些設(shè)計(jì)人員犯的第一個(gè)錯(cuò)誤是假設(shè)SPI總線具有智能。圖1解釋了SPI從站的工作原理;對(duì)于接收數(shù)據(jù)，它只是一個(gè)串行輸入、并行輸出移位寄存器。

圖1.SPI從結(jié)構(gòu)框圖（串行輸入、并行輸出移位寄存器）。

SPI總線很簡(jiǎn)單，甚至沒(méi)有任何錯(cuò)誤檢查就很愚蠢，這一點(diǎn)怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。它本質(zhì)上是一串串行編寫的寄存器。當(dāng)芯片選擇被引發(fā)時(shí)，寄存器將一個(gè)并行字卸載到芯片中。SPI位本身沒(méi)有協(xié)議或意義。消息中甚至沒(méi)有設(shè)定數(shù)量的位;位數(shù)因從站的需求而異。為了使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，可以將來(lái)自不同制造商的不同類型的多個(gè)設(shè)備菊花鏈連接在一起。當(dāng)然，它們必須都具有相同的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)關(guān)系（四種可能的格式之一）3).

現(xiàn)在想象菊花鏈中的三個(gè)設(shè)備。芯片 1 首先看到芯片 3 的命令通過(guò)，然后是芯片 2 的命令。只有在自己的命令移入后，芯片選擇線才會(huì)變高。然后，也只有這樣，任何命令對(duì)任何單個(gè)芯片都有意義。

隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越大和繁忙，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)送部分SPI命令，這是致命的。當(dāng)位加載到SPI移位寄存器的開頭時(shí)，就會(huì)發(fā)生死亡。然后，在位在移位寄存器中處于適當(dāng)位置之前，芯片選擇變?yōu)楦唠娖健＜拇嫫髦械娜魏蝺?nèi)容都并聯(lián)移入芯片。因此，在 SPI 命令期間必須屏蔽中斷，以確保不發(fā)送部分 SPI 命令。

為了說(shuō)明SPI接口的正確工作原理，我們使用MAX5312 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

表 1 顯示了最先加載的最高有效位 （MSB） 和最后加載的最低有效位 （LSB）。圖 2 顯示了首先加載的 4 位命令。請(qǐng)注意，僅使用了可能的 16 個(gè)控制字中的 <> 個(gè)，并且有一條警告不要使用任何未列出的命令。如果使用未列出的命令，設(shè)備可能會(huì)也可能不會(huì)做出反應(yīng)。無(wú)論如何，不能保證會(huì)發(fā)生任何好事。事實(shí)上，很有可能會(huì)發(fā)生不好的事情，所以不要使用任何未指定的命令。5MAX5312在數(shù)字引腳上還具有施密特觸發(fā)器輸入，以最大限度地降低噪聲影響。

X = 不在乎。
*所有未列出的命令均為保留命令。請(qǐng)勿使用。

圖2.MAX5312數(shù)據(jù)資料中的SPI接口示例

神秘噪音

有時(shí)，客戶擔(dān)心他們的系統(tǒng)中發(fā)生了奇怪的事情。很多時(shí)候，他們將噪音歸咎于原因。未必如此。

我們認(rèn)為噪音不太可能。原因如下。如果未發(fā)生SPI傳輸，則芯片選擇（%-overbar_pre%CS%-overbar_post%）必須保持在零（無(wú)噪聲），而時(shí)鐘和數(shù)據(jù)在30%和70%電壓數(shù)據(jù)閾值之間顫振。如果在SPI消息期間芯片選擇為低電平，則數(shù)據(jù)和時(shí)鐘上的噪聲可能會(huì)侵入。經(jīng)驗(yàn)表明，如果噪聲真的那么糟糕，那么沒(méi)有任何東西通過(guò)，或者想要的數(shù)據(jù)就會(huì)隨著DAC輸出的瘋狂跳躍而丟失。三行中的一條干凈（即%-overbar_pre%CS%-overbar_post%），時(shí)鐘和數(shù)據(jù)上的巨大噪聲是非常不尋常的。

有一句古老的格言告訴我們，在解決問(wèn)題時(shí)，首先要尋找最簡(jiǎn)單、最可能的答案。因此，在我們的示例中，這種“奇怪的活動(dòng)”更有可能是部分或不完整的SPI消息。但是，它從何而來(lái)？在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，通常使用小型系統(tǒng)或最終大型系統(tǒng)的子集。由于處理器不是很忙，中斷很少截?cái)?SPI 命令。隨著系統(tǒng)的增長(zhǎng)和處理器對(duì)更多設(shè)備的命令數(shù)量的增加，中斷截?cái)?SPI 命令的可能性也會(huì)增加。這正是在SPI傳輸期間必須屏蔽中斷的原因。

噪聲如何影響IC？

巨大的噪聲源會(huì)壓倒數(shù)字傳輸6, 7.因此，最大的潛在電路錯(cuò)誤（如雷擊）必須在系統(tǒng)級(jí)解決，而較小的問(wèn)題可以在芯片級(jí)處理。

普通IC無(wú)法修復(fù)的大系統(tǒng)錯(cuò)誤之一是電源不穩(wěn)定。在3V至1V之間快速顫振的5V電源將導(dǎo)致IC無(wú)法處理的故障。誠(chéng)然，這是一個(gè)極端的例子，但在我們周圍的世界中并不是獨(dú)一無(wú)二的。每天都有大型電機(jī)、電弧焊機(jī)、雷電引起的浪涌和變電站負(fù)載切換引起的電力線故障。大型輸電網(wǎng)必須通過(guò)在白天增加和移除發(fā)電設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)不斷變化的需求。這種設(shè)備切換會(huì)導(dǎo)致電壓變化，從而在整個(gè)電網(wǎng)中產(chǎn)生漣漪。其他潛在的大噪聲源是射頻干擾 （RFI）、電磁干擾 （EMI） 和靜電放電 （ESD）。許多地區(qū)在夏季幾乎每天都會(huì)經(jīng)歷雷暴，冬季濕度低，ESD產(chǎn)生恒定。所有這些大的毛刺和錯(cuò)誤都必須通過(guò)安全理由、屏蔽和浪涌抑制在系統(tǒng)層面進(jìn)行預(yù)測(cè)和解決。

使用適當(dāng)?shù)碾娫春徒拥匦切芜B接在芯片級(jí)別管理的小錯(cuò)誤;單獨(dú)的PCB電源和接地層，用于清潔（模擬）和臟（數(shù)字）電壓;6以及串聯(lián)電阻器、電感器和鐵氧體磁珠以及并聯(lián)電容的功率去耦。7

這些主要噪聲源可能會(huì)破壞系統(tǒng)。Maxim擁有，并且有許多器件可用于保護(hù)電源、數(shù)據(jù)和接口。在極端情況下，還需要提供看門狗定時(shí)器電路來(lái)重新啟動(dòng)系統(tǒng)微處理器。

接口海洋中的I2C

有大量的接口系統(tǒng)：RS-232，RS-422 / RS-485，USB，以太網(wǎng)IEEE? 802及其字母湯，IO-Link?，LIN總線，1-Wire?，I2C，SMBus，SPI，MICROWIRE/? MICROWIRE PLUS，? M-Bus（EN1434）和CAN（ISO11898），僅舉幾例。（許多商標(biāo)由其發(fā)起人注冊(cè)。有太多相互競(jìng)爭(zhēng)的系統(tǒng)、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和部分標(biāo)準(zhǔn)，很難選擇。8

內(nèi)部集成電路（I2C）是一種多主站、串行、單端通信總線，用于將低速外設(shè)連接到電視機(jī)、消費(fèi)類設(shè)備、手機(jī)或其他電子設(shè)備。對(duì)于電氣隔離不是問(wèn)題的小面積、機(jī)箱或 PC 板中的通信，它是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。它還已擴(kuò)展用于有線系統(tǒng)。

與大多數(shù)系統(tǒng)一樣，I2C接口也有其權(quán)衡取舍。其基本限制是電阻上拉和400pF的最大電容。理想情況下，總線將具有較低的功耗，特別是對(duì)于電池供電的設(shè)備。較低的功率也會(huì)轉(zhuǎn)化為較慢的總線速度。但有些應(yīng)用需要更快的通信。典型I2C時(shí)鐘速度在100kHz至3.4MHz之間;對(duì)于更快的速度，SPI時(shí)鐘可以在數(shù)十兆赫茲區(qū)域。I2C也稱為“雙線”串行總線，9I2C雙線數(shù)字接口非常適合速度較慢的系統(tǒng)。I2C使用雙向信號(hào);單條數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)從主站傳輸?shù)綇恼?，并從從站向從站進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)可以有多個(gè)主節(jié)點(diǎn)，并且由于時(shí)鐘來(lái)自當(dāng)前活動(dòng)的主節(jié)點(diǎn)，因此時(shí)鐘也可以是雙向的。這種雙向通信使電流隔離復(fù)雜化，這就是為什么I2C通常只用于系統(tǒng)的小區(qū)域。

有大量的IC器件使用許多接口。設(shè)計(jì)時(shí)，最好搜索所需的功能，例如ADC、DAC、溫度傳感器或數(shù)字電位計(jì)，然后考慮可用的接口。

GPIO 簡(jiǎn)單明了

通用輸入輸出 （GPIO） 控制由來(lái)自微處理器的單個(gè)并行控制線組成。當(dāng)簡(jiǎn)單的設(shè)備僅由幾根電線控制時(shí)，就會(huì)使用它。GPIO 只是使用標(biāo)準(zhǔn)微處理器端口作為并行接口。同樣，今天您可以找到許多并行接口IC，包括ADC和DAC。

結(jié)論

當(dāng)界面正常工作時(shí)，工程師會(huì)微笑（有快樂(lè)的面孔）。周圍悲傷的面孔表明某處失敗。那么，應(yīng)該吸取什么教訓(xùn)呢？老實(shí)說(shuō)，它是如此簡(jiǎn)單，以至于通常被忽視：注意細(xì)節(jié)，特別是如果您不了解它們的全部重要性。

審核編輯：郭婷