浅谈I2C知识
对于嵌入式开发人员来说，I2C属于再也不能熟悉的东西了。在电子产品领域，使用广泛。
简介
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地 使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
I2C主要分为SCL与SDA。SCL为串行时钟线，SDA为串行数据线。既然用来传输数据，其速率相关的知识一定少不了。
I2C速率
I2C速率分三种模式：标准，快速以及高速，三者速率分别如下
标准速率：100Kbits/s
快速速率：400Kbits/s
快速模式增强：1Mbit/s
高速速率：3.4Mbits/s
谈及了速率后，我们就进行I2C的谈论，小编还是以项目中测的一组I2C来展开介绍。
I2C时序
起始与终止
I2c时序分为起始与终止，其均有Master控制。
起始：SCL为高，SDA由1变为0。
终止：SCL为高，SDA由0变为1。
重复起始条件：和起始条件相似，重复起始条件发送在停止条件之前。主机想继续给从机发送消息时，一个字节传输完成后可以发送重复起始条件，而不是产生停止条件。
数据的位传输
数据的每次传输都是以字节(8位)为单位，一个字节的传输需要9个时钟周期。
主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，且数据位从高位到低位的顺序进行传输。SDA上的数据必须在SCL为高电平时保持稳定，数据的高低电平的翻转变化发生在SCL为低电平时期。
从下图可以看出
SDA的电平转换永远发生在SCL为低时。
SCL为高时，SDA电平不发生变化。
在I2C中，前八位往往由Master发送。其中前七位为地址位。第八位为读写位。
I2C的地址位有7bit和10bit两种。对于7bit地址，最多支持寻址127设备(实际情况要考虑负载容值，总容值不允许超过400PF)。对于10bit地址，最多支持1023个设备。
10bit地址的协议兼容7bit地址的协议。目前用到的地址为7bit的较多，同时第八位为读写位。当第八位为0时，则代表写。为1时，则代表读。
在一些芯片的数据手册中，我们往往会看到类似如下的描述
I2C slave address :(W)OX58H,®OX59H
W代表写，R代表读。
上图则代表0X58。根据十六进制转换为二进制。
0X58=0101 1000
观察前八位 完全符合。
ACK与NACK
I2C最大的特点就是存在完善的应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“我收到了”。
前八位地址+读/写均由Master发送。在第九个时钟周期内，Master释放总线，把总线控制权交给从机，然而在上拉源的作用下，此时总线为高电平，如果从机收到主机发来的数据为0，将SDA拉低，表示应答响应。
简单描述即：
Slave工作，为ACK。第九位电平表现为低电平。
Slave不工作，为NACK。第九位电平表现为高电平。
当Master确认了Slave是自己想要的Slave后，开始进行8位数据的字节传输。其中，每传输一次8位数据，其后都会紧接着由主机产生的应答信号。直到发送最后进入终止条件，I2C则停止数据的传输，进入空闲状态。
根据读与写，我们大致可以将I2C的传输简单的分为以下两种状态：
I2C写流程
- Master发送I2C 7位的地址和写操作位，等待ACK。
- Slave发送ACK。
- Master发送寄存器地址位，等待ACK
- Slave发送ACK
- Master发送data。即写入寄存器数据
- Slave发送ACK
- 反复5 6步，可写入多个寄存器数据
- Master发起STOP
I2C读流程
- Master发送I2C 7位的地址和写操作位，等待ACK。
- Slave发送ACK。
- Master发送寄存器地址位，等待ACK
- Slave发送ACK
- Master重新执行起始条件
- Master发送I2C 7位的地址和读操作位，等待ACK。
- Slave发送ACK
- Slave发送8位的data，即寄存器里的值
- Master发送ACK
重复8 9两步，可读取多个寄存器
直到最终以Master发送NACK,进入终止。
如下附上项目中抓取的波形
硬件电路设计
I2C的硬件电路设计并不复杂。
I2C的IO口，因其本身属于开漏，不支持高电平的输出，要想拥有高电平，外部必须给与一个上拉源。
上拉电阻的选取，往往在1K-10K。电阻的选取往往对信号的上升沿存在一定的影响。
一般IO口的驱动电流在2-4毫安。上拉源为Vdd。同时，OC与OD的导通电压往往在0.4V左右。
所以通过计算可以得知
Rmin=（Vdd-0.4）/0.003A
Rmax=(T/0.874)*C
其中，I2C速率为100Kbits/s时，T=1us。速率为400Kbits/s时，T=0.3us。 速率为1Mbits/s时，T=0.12us。
(注：在一些电路中，MCU会将上拉进行集成，最终我们所看到的就是外围电路不需要上拉源 )
波形常见的问题
关于小编在以往的项目中I2C 常见的几类问题
-
SCL上升时间tr大于datesheet标准
上升时间大，则意味着与标准相比，上升的较为平缓，驱动能力弱。这种问题往往是上拉电阻阻值选择不合理导致的。负载本身含有电容，如果上拉电阻的选取过大，RC延时电路，进而导致上升变得平缓。
解决办法：减小上拉电阻；软件调节驱动能力。 -
SDA SCL波形整体略微被抬高，低电平很难接近0V,甚至超过0.4V
这类问题，存在两种可能性。
A:测试时，示波器探头未进行校准，导致测试时，出现这类问题。
B:上拉电阻选取过小导致驱动电流过大。
解决办法：校准示波器；适当的减小上拉电阻阻值。 -
SDA信号出现毛刺。
小编曾在以前的项目中就遇到过。这种问题必须要重视。I2C的每个高电平以及低电平都有特殊含义，如果地址位，写或者应答位的低电平因毛刺的存在，误被识别成高电平，都是会影响到从机的正常工作的。
解决办法：PCB走线包地；SDA信号串小电阻。
- I2C地址冲突
在硬件设计时，我们往往会在一组I2C上挂多组器件。有时稍不注意就会将地址一样的两个设备挂在同一组I2C上。
解决办法：有些芯片带有AD脚，例如smart pa芯片，可根据AD接地或者接电源来改变地址。亦或者回板后，手动返工。