I2C总线原理

I2C总线原理

     ♦什么是 I2C 总线？

         I2C 即 Inter IC ，由 Philips 公司开发，是当今电子设计中应用非常广泛的串行总线之一，主要用于电压、温度监控， EEPROM 数据的读写，光模块的管理等。
I2C 总线只有两根线， SCL 和 SDA ， SCL 即 Serial Clock ，串行参考时钟， SDA 即 Serial Data ，串行数据。

          ♦I2C 总线的速率能达到多少？

     标准模式下： 100Kbps
     快速模式下： 400Kbps
     高速模式下： 3.4Mbps
          I2C总线结构如下图所示：
          
<SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12pt"><FONT face="Times New Roman">     如上图所示，I2C 是OC 或OD 输出结构，使用时必须在芯片外部进行上拉，上拉电阻R 的取值根据I2C 总线上所挂器件数量及I2C 总线的速率有关，一般是标准模式下R 选择10kohm ，快速模式下R 选取1kohm ，I2C 总线上挂的I2C 器件越多，就要求I2C 的驱动能力越强，R 的取值就要越小，实际设计中，一般是先选取4.7kohm 上拉电阻，然后在调试的时候根据实测的I2C 波形再调整R 的值。
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"> 
       ♦I2C 总线上最多能挂多少个 I2C 器件？

<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">        I2C 总线上允许挂接 I2C 器件的数量由两个条件决定：
       1).I2C 从设备的地址位数。 I2C 标准中有 7 位地址和 10 位地址两种。如果是 7 位地址，允许挂接的 I2C 器件数量为： 27 ＝ 128 ，如果是 10 位地址，允许挂接的 I2C 器件数量为： 210 ＝ 1024 ，一般 I2C 总线上挂接的 I2C 器件不会太多，所以现在几乎所有的 I2C 器件都使用 7 位地址。
       2). 挂在 I2C 总线上所有 I2C 器件的管脚寄生电容之和。 I2C 总线规范要求， I2C 总线容性负载最大不能超过 470pF 。

      ♦I2C总线是如何工作的？
    
      1).I2C 总线传输的特点。
      I2C 总线按字节传输，即每次传输 8bits 二进制数据，传输完毕后等待接收端的应答信号 ACK ，收到应答信号后再传输下一字节。等不到 ACK 信号后，传输终止。空闲情况下， SCL 和 SDA 都处于高电平状态。

      2). 如何判断一次传输的开始？
   
     如上图所示， I2C 总线传输开始的标志是： SCL 信号处于高电平期间， SDA 信号出现一个由高电平向低电平的跳变。

       3). 如何判断一次传输的结束？
    
     如上图所示，I2C总线传输结束的标志是：SCL信号处于高电平期间，SDA信号出现一个由低电平向高电平的跳变。跟开始标识正好相反。

        4).什么样的I2C数据才是有效的。

    在 SCL 处于高电平期间， SDA 保持状态稳定的数据才是有效数据，只有在 SCL 处于低电平状态时， SDA 才允许状态切换。前面已经讲过了， SCL 高电平期间， SDA 状态发生改变，是传输开始 /. 结束的标志。

<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">       ♦I2C 总线的主要时序参数有哪些？
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">        I2C 总线的主要时序参数有：开始建立时间 t SU:STA ，开始保持时间 t HD:STA ，数据建立时间 t SU:DAT ，数据保持时间 t SU:DAT  ，结束建立时间 t SU:STO  。如下图所示：
    
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">     开始建立时间： SCL 上升至幅度的 90% 与 SDA 下降至幅度的 90% 之间的时间间隔；
    开始保持时间： SDA 下降至幅度的 10% 与 SCL 下降至幅度的 10% 之间的时间间隔；
    数据建立时间： SDA 上升至幅度的 90% 或 SDA 下降至幅度的 10% 与 SCL 上升至幅度的 10% 之间的时间间隔；
    数据保持时间： SCL 下降至幅度的 10% 与 SDA 上升至幅度的 10% 或 SDA 下降至幅度的 90% 之间的时间间隔；
    结束建立时间： SCL 上升至幅度的 90% 与 SDA 上升至幅度的 90% 之间的时间间隔；

   I2C总线的时序参数要求：
   

      ♦I2C总线如何进行读写操作？
      

    如上图所示， I2C 开始传输时，第一个字节的前 7bit 是地址信息 (7 位地址器件 ) ，第 8bit 是操作标识，为“ 0 ”时表示写操作，为“ 1 ”时表示读操作，第 9 个时钟周期是应答信号 ACK ，低有效，高电平表示无应答，传输终止。在上图中还可以看出，正常情况下，写操作是 I2C 主设备方发起终止操作的，而读操作时， I2C 主控制器在接收完最后一个数据后，不对从设备进行应答，传输终止。

      ♦I2C总线案例分析

<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; mso-font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman'">     问题描述：
    在测试某 I2C 总线时，发现 SDA 数据线上有毛刺，而且出现的位置很有规律，一般在第 9 ， 18 ， 27----- 时钟周期的后面。如下图所示。
  
     问题分析：
     <SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">  
    如上图所示， t1 是 I2C 总线上的 Slave 设备应答信号 ACK( 第 9 个时钟周期输出 ) 相对与参考时钟 SCL 下降沿的滞后时间。数据方向是 Slave--> Master 。 t 2 是 I2C 总线上的 Master 设备在第 10 个时钟输出相对了参考时钟 SCL 的滞后时间。数据方向是 Master--> Slave 。 ∆t 是 Master 设备与 Slave 设备输出数据延迟的时间差。  


        Master 设备发出最后一个 bit 数据后，总线的使用权交给 Slave 设备使用，由 Slave 设备发出应答信号 ACK ，该信号在 SCL 下降沿经 t1 延迟后发出，在 SCL 的下一个时钟沿后内经 t1 后结束。而 Master 设备在同一个时钟沿，经常 t2 延迟后发出第 9bit 数据，这样在 ∆t (t2-t1) 时间内， Master 和 Slave 设备都没有使用总线，由于 SDA 是 OC/OD 输出，芯片外面通过电阻 R 上拉到 VCC ，将 SDA 电平拉升，但是由于 ∆t 很短， VCC 还没来的及将 SDA 拉到稳定的高电平， Master 就开始发出数据“