通過(guò)長(zhǎng)距離I2C總線實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸

 內(nèi)部集成電路總線(I2C)是一種同步串行數(shù)據(jù)通信總線，其中由主器件發(fā)起通信，從器件通過(guò)尋址機(jī)制加以控制。I2C總線上的節(jié)點(diǎn)很容易連接，因?yàn)橹恍柽B接兩條開(kāi)漏形式的信號(hào)線(SDA用于數(shù)據(jù)，SCL用于時(shí)鐘)。這些線上的電容是限制傳輸速率和節(jié)點(diǎn)間距離的主要因素[1]。要想擴(kuò)展速率和距離，有必要使用能夠識(shí)別數(shù)據(jù)方向的緩沖器。本文所述的設(shè)計(jì)案例充分展示了PCA9605緩沖器的優(yōu)勢(shì)。

PCA9605是一種單片CMOS集成電路，可在包括I2C總線的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)總線緩沖功能。該緩沖器可以通過(guò)緩沖驅(qū)動(dòng)SCL和SDA線來(lái)擴(kuò)展總線負(fù)載，緩沖器兩側(cè)可達(dá)到最大允許的總線電容。在其最基本的實(shí)現(xiàn)中，該緩沖器允許擴(kuò)展數(shù)量的從器件連接到一個(gè)主器件。在本例設(shè)計(jì)中，主器件是PIC的微控制器[2]，從器件是兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其中一個(gè)是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，另一個(gè)是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。PCA9605的方向引腳(DIR)固定接地，因?yàn)闀r(shí)鐘由主器件提供(單向時(shí)鐘模式)。圖1給出了總的原理圖。

U2 ADC捕獲來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送給緩沖器U3，由U3驅(qū)動(dòng)后上電纜傳輸，并經(jīng)U4中繼后繼續(xù)傳輸。SDA數(shù)據(jù)線需要雙向驅(qū)動(dòng)，從U3到U4以及U4到U3。最終由U5 ADC產(chǎn)生數(shù)字化后的信號(hào)。如果需要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)距離的電纜傳輸，可以在電路中間插入另一個(gè)緩沖器進(jìn)行擴(kuò)展。這種方法可以覆蓋長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的有線傳輸距離[3]。

圖1：用擴(kuò)展I2C總線連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。

圖2顯示了通過(guò)電纜總線以125kHz速率傳輸DAC地址(0xC0)。通道1連接的是總線側(cè)SDA線(U4的引腳6)，該信號(hào)通過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)后可消除毛刺和來(lái)自時(shí)鐘線的容性干擾以及由于使用上拉電阻的開(kāi)路集成極和走線電容引起的RC效應(yīng)。通道2顯示的是經(jīng)過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)后的SDA數(shù)據(jù)信號(hào)(U4的引腳7)，通道4(U4的引腳2)是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后的時(shí)鐘SCL。電纜上的時(shí)鐘信號(hào)(U4的引腳3)示于通道3，通道4是經(jīng)過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)(U4的引腳2)。

如果系統(tǒng)測(cè)試時(shí)給ADC U2發(fā)送一個(gè)電壓幅度為滿輸入刻度的單極性模擬信號(hào)，在DAC U5的輸出負(fù)載上就可以得到圖3所示的波形。本設(shè)計(jì)充分利用了ADC和DAC電路的特性，允許它們處理軌到軌信號(hào)。這種低頻信號(hào)可以通過(guò)在DAC輸出端增加一個(gè)低通濾波器加以改進(jìn)，因?yàn)榈屯V波器可以降低采樣和重構(gòu)噪聲。

圖2：緩沖器前后的從節(jié)點(diǎn)信號(hào)。

圖3：通過(guò)I2C發(fā)送的滿刻度輸入正弦信號(hào)。