數(shù)字接口——I2C 總線

數(shù)字接口——I2C 總線

了解內(nèi)部集成電路總線（一種基本的低成本互聯(lián)方案）的連接和格式。

內(nèi)置集成電路 (I2C) 總線是一種單端、多主控雙線總線，適合在半雙工模式下進(jìn)行高效的內(nèi)部集成電路通信。該總線使用漏極開路技術(shù)，因此通過電阻器連接到 VDD 時(shí)就需要兩根信號(hào)線，分別為串行數(shù)據(jù) (SDA) 線和串行時(shí)鐘線 (SCL)，如圖 1 所示。

 
圖 1 I2C 總線

將線路拉低至接地認(rèn)為是邏輯 0，而使線路浮置則為邏輯 1。通常將這用作通道接入方式。當(dāng) SCL 為低電平時(shí)，必將發(fā)生邏輯狀態(tài)變化；當(dāng) SSL 為高電平時(shí)，若發(fā)生變化則認(rèn)為是 START 和 STOP 條件。盡管系統(tǒng)允許提供更高或更低的電壓，但典型的電源電壓為 3.3V 和 5V。

I2C 通信采用 7 位地址空間（具有 16 個(gè)預(yù)留地址），因此在同一總線上，理論上最多可以和 112 個(gè)節(jié)點(diǎn)通信。但實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)受到總線上規(guī)定的總體總電容 (400 pF) 限制，從而將通信距離限制為幾米。規(guī)定的信號(hào)傳輸速率為 100 kbit/s（標(biāo)準(zhǔn)模式）、400 kbit/s（快速模式）、1 Mbit/s（快速模式Plus，F(xiàn)M+）和 3.4 Mbit/s（高速模式）。

總線上的節(jié)點(diǎn)有主從之分。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)布時(shí)鐘和從節(jié)點(diǎn)地址，并且還開始和結(jié)束數(shù)據(jù)處理。從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收時(shí)鐘和地址，并響應(yīng)來自主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。圖 2 顯示了主從節(jié)點(diǎn)之間典型的數(shù)據(jù)傳送示例。

 
圖 2 完整的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

主節(jié)點(diǎn)通過創(chuàng)建一個(gè) START 條件發(fā)布一個(gè)數(shù)據(jù)處理，緊接著發(fā)布希望與其進(jìn)行通信的從節(jié)點(diǎn)的 7 位地址。隨后發(fā)送一個(gè)信號(hào)讀寫位，表示主節(jié)點(diǎn)是否愿意寫入到從節(jié)點(diǎn) (0) 或者自從節(jié)點(diǎn)讀取 (1)。接下來，主節(jié)點(diǎn)將釋放 SDA 線，以允許從節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)接收作出應(yīng)答。

在第 9 個(gè) SCL 時(shí)鐘脈沖的整個(gè)高電平期間，從節(jié)點(diǎn)通過將 SDA 拉至低電平以回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答位 (ACK)，之后主節(jié)點(diǎn)一直處于傳輸或接收模式（根據(jù)發(fā)送的讀寫位而定），而從節(jié)點(diǎn)則一直處于對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)模式（分別為接收或傳輸）。

發(fā)送地址和 8 位數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)首先發(fā)送最高位 (MSB)。當(dāng) SCL 為高電平時(shí)，通過 SDA 由高電平向低電平跳變來指示 START 位。而當(dāng) SCL 為高電平時(shí)，則通過 SDA 由低電平向高電平跳變來產(chǎn)生 STOP 條件。

當(dāng)主節(jié)點(diǎn)寫入到從節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)在從節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ACK 位時(shí)重復(fù)發(fā)送一個(gè)字節(jié)。在這種情況下，主節(jié)點(diǎn)將處于主傳輸模式，而從節(jié)點(diǎn)則處于從接收模式。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)自從節(jié)點(diǎn)讀取時(shí)，它會(huì)重復(fù)接收自從節(jié)點(diǎn)的字節(jié)，同時(shí)對(duì)每個(gè)字節(jié)的接收作出應(yīng)答 (ACK)，但最后一個(gè)字節(jié)除外，請(qǐng)參見圖 3。這種情況下，主節(jié)點(diǎn)將處于主接收模式，而從節(jié)點(diǎn)則處于從傳輸模式。

主節(jié)點(diǎn)將以 STOP 位結(jié)束傳輸，或者可能為進(jìn)行下一步傳輸而發(fā)送另一個(gè) START 位以保持總線控制。

 
圖 3 數(shù)據(jù)傳輸期間傳輸/接收模式的變化情況

當(dāng)寫入到從節(jié)點(diǎn)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將主要以傳輸模式運(yùn)行，并且只有自從節(jié)點(diǎn)接收應(yīng)答時(shí)才會(huì)更改為接收模式。

當(dāng)自從節(jié)點(diǎn)讀取時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將以傳輸模式啟動(dòng)，然后在發(fā)送 READ 請(qǐng)求（讀寫位=1）到從節(jié)點(diǎn)后會(huì)更改為接收模式。從節(jié)點(diǎn)將一直處于對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)模式，直至結(jié)束該任務(wù)。

請(qǐng)注意，主節(jié)點(diǎn)將通過在最后接收的字節(jié)后面跟隨一個(gè)無應(yīng)答 (NACK) 來結(jié)束讀取序列。此步驟會(huì)復(fù)位從狀態(tài)機(jī)，并允許主節(jié)點(diǎn)發(fā)送 STOP 命令。

作者簡(jiǎn)介

 
Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級(jí)系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)定義新型高性能模擬產(chǎn)品以及探測(cè)和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號(hào)的完整系統(tǒng)解決方案的開發(fā)工作。

在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國(guó)擔(dān)任過各種國(guó)際應(yīng)用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應(yīng)用技術(shù)大學(xué) (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業(yè)就成為一名見習(xí)工程師 (Graduate Engineer)。