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 時就需要兩根信號線，分別為串行數(shù)據(jù) (SDA) 線和串行時鐘線 (SCL)，如圖 1 所示。

 
圖 1 I2C 總線

將線路拉低至接地認為是邏輯 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 SCL 為低電平時，必將發(fā)生邏輯狀態(tài)變化；當 SSL 為高電平時，若發(fā)生變化則認為是 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 個預留地址），因此在同一總線上，理論上最多可以和 112 個節(jié)點通信。但實際上，節(jié)點數(shù)會受到總線上規(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)定的信號傳輸速率為 100 kbit/s（標準模式）、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)點有主從之分。主節(jié)點負責發(fā)布時鐘和從節(jié)點地址，并且還開始和結(jié)束數(shù)據(jù)處理。從節(jié)點負責接收時鐘和地址，并響應來自主節(jié)點的請求。圖 2 顯示了主從節(jié)點之間典型的數(shù)據(jù)傳送示例。

 
圖 2 完整的數(shù)據(jù)傳輸時序圖

主節(jié)點通過創(chuàng)建一個 START 條件發(fā)布一個數(shù)據(jù)處理，緊接著發(fā)布希望與其進行通信的從節(jié)點的 7 位地址。隨后發(fā)送一個信號讀寫位，表示主節(jié)點是否愿意寫入到從節(jié)點 (0) 或者自從節(jié)點讀取 (1)。接下來，主節(jié)點將釋放 SDA 線，以允許從節(jié)點對數(shù)據(jù)接收作出應答。

在第 9 個 SCL 時鐘脈沖的整個高電平期間，從節(jié)點通過將 SDA 拉至低電平以回應一個應答位 (ACK)，之后主節(jié)點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)點則一直處于對應的互補模式（分別為接收或傳輸）。

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

當主節(jié)點寫入到從節(jié)點時，它會在從節(jié)點發(fā)送 ACK 位時重復發(fā)送一個字節(jié)。在這種情況下，主節(jié)點將處于主傳輸模式，而從節(jié)點則處于從接收模式。當主節(jié)點自從節(jié)點讀取時，它會重復接收自從節(jié)點的字節(jié)，同時對每個字節(jié)的接收作出應答 (ACK)，但最后一個字節(jié)除外，請參見圖 3。這種情況下，主節(jié)點將處于主接收模式，而從節(jié)點則處于從傳輸模式。

主節(jié)點將以 STOP 位結(jié)束傳輸，或者可能為進行下一步傳輸而發(fā)送另一個 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

當寫入到從節(jié)點時，主節(jié)點將主要以傳輸模式運行，并且只有自從節(jié)點接收應答時才會更改為接收模式。

當自從節(jié)點讀取時，主節(jié)點將以傳輸模式啟動，然后在發(fā)送 READ 請求（讀寫位=1）到從節(jié)點后會更改為接收模式。從節(jié)點將一直處于對應的互補模式，直至結(jié)束該任務。

請注意，主節(jié)點將通過在最后接收的字節(jié)后面跟隨一個無應答 (NACK) 來結(jié)束讀取序列。此步驟會復位從狀態(tài)機，并允許主節(jié)點發(fā)送 STOP 命令。

作者簡介

 
Thomas Kugelstadt 現(xiàn)任 TI 高級系統(tǒng)工程師，主要負責定義新型高性能模擬產(chǎn)品以及探測和調(diào)節(jié)工業(yè)系統(tǒng)中低電平模擬信號的完整系統(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、亞洲以及美國擔任過各種國際應用職位。 Thomas 畢業(yè)于法蘭克福應用技術(shù)大學 (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業(yè)就成為一名見習工程師 (Graduate Engineer)。