I2C 總線分區(qū)可以解決電壓電平不同、數(shù)據(jù)速率不同的問(wèn)題

集成電路間總線因?yàn)楸辉S多 IC 制造商廣泛應(yīng)用于眾多設(shè)備而廣為人知。而且，互聯(lián)網(wǎng)上也提供了大量信息。然而，關(guān)于 IC 間總線卻也始終存在諸多問(wèn)題，首當(dāng)其沖的便是它的正確縮寫(xiě)方法。幸運(yùn)的是，官方徽標(biāo)給出了答案，即 I2C。

這篇技術(shù)文章將會(huì)探討使用 I2C 總線時(shí)可能發(fā)生的一些常見(jiàn)問(wèn)題，以及相應(yīng)的解決方法。關(guān)于 I2C 總線工作原理的基礎(chǔ)知識(shí)并非本文章的內(nèi)容，但可以在以下教程中找到相關(guān)信息：I2C 總線基本原理。

使用 I2C 總線時(shí)，最常見(jiàn)的問(wèn)題包括從設(shè)備尋址沖突、混合不同總線速度和/或電壓電平的設(shè)備、錯(cuò)誤或忘記上拉電阻器、過(guò)大的總線電容以及無(wú)公共接地連接。

尋址

連接到 I2C 總線的設(shè)備在完成尋址后接收其數(shù)據(jù)。I2C 總線上的地址長(zhǎng)度可能為 7 位或 10 位，并且在設(shè)備中預(yù)定義。這些地址由 NXP 分配給設(shè)備制造商。連接到總線的每個(gè)設(shè)備應(yīng)具有唯一的地址。

為了讓 I2C 總線一次使用多個(gè)相同設(shè)備，許多設(shè)備都提供了通過(guò)將引腳拉至供電電壓或接地在預(yù)定義范圍內(nèi)更改地址的能力。例如Texas Instruments的TCA9534APWRI/O 擴(kuò)展器。

該設(shè)備可配置三條地址線（A0、A1 和 A2），獲得 0x38 到 0x3F 范圍的地址（表 1），從而實(shí)現(xiàn)在總線上使用 8 個(gè)設(shè)備。

表 1：地址參考（圖片來(lái)源： Digi-Key Electronics）

例如，如表 1 中所示，將所有三條地址線全部拉至低電平會(huì)將地址 0x38 分配給 TCA9534A。

圖 1：配置地址 0x38 的 TCA9534（圖片來(lái)源： Texas Instruments）

有些設(shè)備僅可提供一個(gè)地址。例如，Sensirion AG的STS21和Silicon Labs的SI705x無(wú)法配置不同的地址。如果在同一總線上使用多個(gè)上述設(shè)備，則可能導(dǎo)致問(wèn)題，因?yàn)樗羞@些設(shè)備將會(huì)同時(shí)響應(yīng)，從而導(dǎo)致整個(gè)總線崩潰。

對(duì)于連接到 I2C 總線的設(shè)備，另一個(gè)更典型的尋址問(wèn)題是與軟件相關(guān)。I2C 總線是 8 位串行總線。地址長(zhǎng)度通常為 7 位，后面緊跟一個(gè)指定讀寫(xiě)操作的位。例如，如以下圖 2 所示，從地址 0x40 (0b01000000) 執(zhí)行讀取操作將會(huì)在總線上生成 0x81 (0b10000001)。第 8 位為 1 表示讀，0 表示寫(xiě)。

圖 2：在 SDA 上看到的從地址 0x40 讀?。▓D片來(lái)源： Digi-Key Electronics）

一個(gè) 10 位地址在 I2C 總線上使用兩個(gè)字節(jié)。前 5 位始終為 0b11110，后面緊跟兩個(gè)最高有效位和第 8位（同樣為讀/寫(xiě)位）。第二個(gè)傳輸?shù)淖止?jié)包含 10 位地址的 8 個(gè)最低有效位。從 10 位地址 0x240 (0b1001000000) 讀取將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)字節(jié) 0xf5 (0b11110101) 和 0x40 (0b01000000)。

7 位地址 0x70 至 0x7B 保留用于 10 位尋址，且不能供 7 位設(shè)備使用。這樣就有可能在同一 I2C 總線上混合使用 7 位和 10 位設(shè)備。

利用支持 I2C 總線的邏輯分析器，可以輕松地發(fā)現(xiàn)并解決軟件尋址問(wèn)題。請(qǐng)注意，一些 I2C 總線邏輯分析器會(huì)直接顯示傳輸?shù)牡刂贰?/p>

總線速度

I2C 總線設(shè)備可采用不同的速度。正如 I2C 規(guī)范所定義的，不同的雙向速度包括比特率高達(dá) 100 kb/s 的標(biāo)準(zhǔn)模式 (Sm)、比特率高達(dá) 400 kb/s 的快速模式 (Fm)、比特率高達(dá) 1 Mb/s 的快速增強(qiáng)模式 (Fm+)，以及比特率高達(dá) 3.4 Mb/s 的高速模式 (HS)。由于這些速度通?？梢韵蛳录嫒荩虼怂俣容^快的設(shè)備能夠以較低的數(shù)據(jù)速率，與速度較慢的設(shè)備在同一總線上使用。相反，如果將速度較慢的設(shè)備連接到速度較快的總線，則可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的狀態(tài)并阻塞總線。

電壓電平

雖然速度失配可能導(dǎo)致總線阻塞，但混合不同的電壓電平卻可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，并直接損壞零件。

根據(jù) I2C 規(guī)范，高電平信號(hào)和低電平信號(hào)的電壓電平都是相對(duì)供電電壓定義的。下表顯示了 2.5 伏到最高 5 伏范圍內(nèi)的最小電壓和最大電壓。請(qǐng)注意，2.5 伏設(shè)備無(wú)法產(chǎn)生對(duì) 5 伏設(shè)備而言足夠高的電壓。

表 2：輸入電壓電平（表格來(lái)源： Digi-Key Electronics）

反之，5 伏的輸出可能會(huì)損壞 2.5 伏設(shè)備。

總線分區(qū)

為 I2C 總線分區(qū)可以解決電壓電平不同、數(shù)據(jù)速率不同的問(wèn)題，甚至解決具有相同地址的多個(gè)設(shè)備的問(wèn)題。

可以采用總線開(kāi)關(guān)來(lái)為 I2C 總線分區(qū)，例如NXP USA Inc.的PCA9548APW,118或 Texas Instruments 的PCA9548ADWR。通過(guò)為這些設(shè)備編程，可以啟用或禁用不同的區(qū)段訪問(wèn)總線。可以按電壓電平、速度或具有相同地址的設(shè)備來(lái)劃分不同的區(qū)段。

圖 3：I2C 總線開(kāi)關(guān)（圖片來(lái)源： NXP）

當(dāng)應(yīng)對(duì)不同的電壓電平時(shí)，可以同時(shí)激活不同的區(qū)段。但對(duì)于同一地址，必須確保不會(huì)同時(shí)激活具有相同地址的多個(gè)區(qū)段。當(dāng)然，總線開(kāi)關(guān)也必須支持不同的電壓電平和/或速度模式。盡管以上所示的兩個(gè)設(shè)備都支持 1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 5 V 電壓，以及高達(dá) Fm (400 kb/s) 的速度，但這不一定始終足夠。

NXP USA Inc. 的PCA9617ADPJ是一個(gè)總線中繼器，支持高達(dá) Fm+ 的速度，并且在一側(cè)支持低至 0.8 V 的電壓，在另一側(cè)支持 2.2 V 的電壓。此設(shè)備可用于擴(kuò)展范圍，或使用其啟用線路將一側(cè)與另一側(cè)進(jìn)行分離。由于此設(shè)備不能用作 I2C 從設(shè)備，因此它需要額外的微控制器引腳才能分離總線線路。

尋找支持高達(dá) Fm+ 總線速度的交換機(jī)或中繼器，比尋找適合高速總線的相似解決方案更難。對(duì)于單一主總線而言，最輕松的解決方案是選擇一個(gè)能夠提供兩個(gè)或更多個(gè) I2C 總線的處理器（類(lèi)似于Microchip Technology的SAM D21 系列），并按速度分離設(shè)備。對(duì)于多主總線系統(tǒng)而言，解決方案稍微復(fù)雜一些。其中一個(gè)主總線需要使用橋接模式，將每個(gè)速度不超過(guò) Fm+ 的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至另一條總線，但在切換至高速模式時(shí)分離總線。

總線電容

將總線分離為不同區(qū)段有助于解決總線線路電容等其他問(wèn)題，因?yàn)樽畲箅娙輰?duì)各個(gè)區(qū)段是分開(kāi)的。連接到總線線路的每個(gè)設(shè)備都會(huì)增加電路板印制線所導(dǎo)致的現(xiàn)有電容?？偩€電容增大則會(huì)導(dǎo)致上升和下降時(shí)間增加，因?yàn)樾枰獜臇艠O進(jìn)行充電/放電。將多個(gè)設(shè)備添加到同一 I2C 總線可能達(dá)到指定的限值，從而降低通信速度。

不僅過(guò)多的設(shè)備會(huì)增加總線電容，過(guò)長(zhǎng)的總線線路也會(huì)發(fā)生同樣的情況。I2C 適合用作單一 PCB 上的集成電路之間的總線。但它往往用于通過(guò)電纜跟相距數(shù)英尺的其他 PCB 上的設(shè)備進(jìn)行通信。針對(duì) PCB 上的印制線，許多設(shè)計(jì)工具可以計(jì)算印制線電容。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)帶狀電纜，此值通常在規(guī)格書(shū)中提供（每英尺電容 10 到 15 pF）。此外，讓總線通過(guò)數(shù)英尺的電纜傳輸至其他 PCB，可能會(huì)因 EMI 而導(dǎo)致噪聲信號(hào)，這也可能引發(fā)通信故障。

公共接地

對(duì) I2C 而言，總線上所有設(shè)備之間擁有一個(gè)公共接地非常重要。由于功耗的原因，通過(guò)長(zhǎng)幾英尺的電纜所連接的電路板上的接地電平可能不同，從而導(dǎo)致通信問(wèn)題。為避免此問(wèn)題，同時(shí)減少可能的 EMI 問(wèn)題，選擇之一是使用 NXP USA Inc. 的PCA9615DPJ。此器件是一側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn) I2C 總線，另一側(cè)采用差分 I2C 總線的 I2C 總線中繼器。

圖 4：差分 I2C 總線（圖片來(lái)源： NXP）

差分信號(hào)不僅減少了可能的 EMI 問(wèn)題，而且不需要公共接地連接。對(duì)于雙絞線電纜，它還允許 I2C 總線延長(zhǎng)至十英尺的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)具有 1 MHz 時(shí)鐘速度的多分支總線（Fm+ 總線），如只需較低速度，甚至延長(zhǎng)更長(zhǎng)距離。

上拉電阻器

最后但同樣也很重要的一點(diǎn)是上拉電阻。

I2C 總線上連接的所有端口均為開(kāi)漏端口，允許在總線線路上使用不同的電壓。電壓閾值取決于使用電阻器將線路上拉至的電壓。每個(gè) I2C 總線區(qū)段都需要上拉電阻器，并且每個(gè)區(qū)段的值可能不同。一些設(shè)備提供可以啟用或禁用的內(nèi)部上拉電阻器。使用這些電阻器是否實(shí)用需要視具體情況而定。

低阻值電阻器可以將 SDA 和 SCL 線路猛拉至最高總線電壓，這可能導(dǎo)致一些總線設(shè)備無(wú)法將線路拉低至指定的低電壓電平。此外，總線線路的電阻也會(huì)增加上拉電阻，并且設(shè)備越靠近上拉電阻器，與遠(yuǎn)離上拉電阻器的設(shè)備相比，電壓電平差越大。相反，選擇阻值過(guò)高的上拉電阻器會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間增加，這也依賴(lài)于總線上存在的電線、印制線、連接和引腳的總線電容。

那么，如何確定電阻值呢？

I2C 規(guī)范提供了兩個(gè)公式，用于計(jì)算上拉電阻器的最小和最大電阻。

最小電阻 Rp(min)取決于總線電壓 VDD和低電平輸出電流 IOL。VOL(max)為 0.4 伏，或 0.2 VDD（對(duì)于 VDD低于 2 伏的情況）。

表 3：不同供電電壓下的最小上拉電阻器阻值（表格來(lái)源： Digi-Key Electronics）

使用低于表格所示的電阻值會(huì)導(dǎo)致通過(guò)設(shè)備的電流較大，這可能損壞設(shè)備，或?qū)е虏幻鞔_的低電平信號(hào)狀態(tài)。

最大電阻 Rp(max)使用估計(jì)的總線電容 Cb和最大上升時(shí)間 tr計(jì)算得出。最大上升時(shí)間取決于總線的數(shù)據(jù)速率。

下表顯示了不同總線速度下的最大上升時(shí)間 (tr(max)) 和最大總線電容 (tr(max))所允許的最大電阻 (Rp(max))。要獲得更短的上升時(shí)間，需要降低總線電容或電阻值。

表 4：最壞情形下總線的最大電阻器阻值（表格來(lái)源： Digi-Key Electronics）

以上表格顯示了不同總線速度下最大總線電容和最大上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的最壞情形。最佳選擇是估算總線電容并使用提供的公式計(jì)算電阻值。

將上拉電阻器保持在計(jì)算的最小值和最大值之間，這一點(diǎn)非常重要。但即便如此，仍有可能造成使用的電阻器阻值過(guò)高。原因之一可能是，計(jì)算中未包括用于保護(hù)設(shè)備的串聯(lián)電阻器。請(qǐng)注意，此類(lèi)串聯(lián)電阻器也會(huì)影響總線的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

圖 5：I2C 總線上的上拉和串聯(lián)電阻器（圖片來(lái)源： NXP）

一般而言，如果出現(xiàn)通信不穩(wěn)定問(wèn)題，建議測(cè)量上升和下降時(shí)間，并相應(yīng)地調(diào)整上拉電阻器。

真實(shí)示例

Arduino Uno 使用指定為 20 k? 到 50 k? 的內(nèi)部上拉電阻器。這對(duì)于在 Fm 總線速度下介于 7 pF 到 18 pF 的最大總線電容和在 Sm 總線速度下介于 24 pF 到 59 pF 的最大總線電容來(lái)說(shuō)是合適的。

在總線上各個(gè)端口具有不超過(guò) 10 pF 的電容，同時(shí)存在一些額外接線和連接電容的情況下，采用 Fm 總線速度時(shí)，即使僅使用一個(gè)從設(shè)備，Arduino 也會(huì)出現(xiàn)通信問(wèn)題。但在 Sm 總線速度下，則可能同時(shí)使用若干設(shè)備。因此，在 Arduino 上使用 I2C 時(shí)，建議使用外部上拉電阻器。

總結(jié)

通過(guò)使用具有相同速度和電壓的設(shè)備、選擇合適的上拉電阻器，以及針對(duì)地址的使用進(jìn)行有效規(guī)劃，可以避免 I2C 存在的許多常見(jiàn)問(wèn)題。