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IIC总线知多少?

作者:www.cechina.cn2021.01.28阅读 3208

  IIC串行总线,只用到两个线,应用非常广泛,本文介绍IIC的软件协议及硬件相关知识。
  一、IIC概述
  1. IIC定义
  IIC总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线,IIC只需要两根线进行通信,SDA和SCL,SDA叫串行数据线,SCL为串行时钟线。
  2. IIC基本知识点
  1.SDA传输高位先传(MSB),每次传输8bit(1个字节),每个字节后面接1位ACK/NACK位,不管是传输地址还是数据;
  2.支持多主控(同一时间点只有一个主控);
  3.连接到总线的从设备都有一个独立的ADDRESS(7bit),用来主机识别从机设备;
  4.总线空闲需要上拉至高电平,硬件I2C时,需要外接上拉电阻,模拟I2C时,单片机的IO口需要默认输入或(高阻),或者是输出高电平;
  5.SDA和SCL总线是“线与”关系,任意器件输出低电平,总线都会变为低电平。
  6.多个主机同时使用总线时,需要用“仲裁”方式决定哪个设备占用总线,不然数据冲突;
  3. IIC速率
  IIC有三种速率模式,标准、快速以及高速模式,对应速率如下所示:
  标准模式:100Kbit/s
  快速模式:400Kbit/s
  高速模式:3.4Mbit/s
  二、IIC软件时序
  1. 起始和结束信号
  起始和结束信号都是由主机产生,对起始和结束有如下的定义:
  起始信号:SCL为高时,SDA由1变为0
  结束信号:SCL为高时,SDA由0变为1

  IIC起始信号和结束信号

  2. 数据的位传输
  SCL的高低电平决定了SDA的数据有效性,有如下规定:
  SCL=0时,SDA改变数据有效。
  SCL=1时,SDA需要保持稳定,传输数据。

  IIC数据位传输

  3. 从机处理中断程序
  如果从机需要处理一个中断程序,才能接收上一个或者发送下一个完整的字节,从机可以拉低SCL,图中红色所示,迫使主机进入Wait状态,从机准备好之后,释放SCL,数据传输继续进行。

  从机处理中断程序

  4. ACK和NACK
  传输完8位数据后,第9位代表应答/非应答信号,拉低SDA代表应答,每个字节后面都有一个应答/非应答信号,不管传输的是地址还是数据。
  主机接收数据的过程中,等数据接收完毕,主机会向从机发送一个非应答信号,告诉从机不要发送了,再发送一个停止信号,释放总线结束通信。
  5. 主机发送数据流程
  1、主机检测到总线空闲(SDA和SCL为高),发送一个起始信号
  2、主机发送一个命令字节(7位地址+R/W读写位),此时R/W=0(R/W=0为写,R/W=1为读)
  3、从机收到命令字节后,向主机发送ACK信号
  4、主机收到从机的ACK信号后,发送第一个字节数据
  5、从机收到主机的数据后,发送一个ACK信号
  6、主机收到从机的ACK信号后,再发送下一字节数据
  7、主机发送最后一个字节,并且收到从机的ACK后,主机再发送一个停止信号,结束通信,释放总线;从机收到停止信号后,也退出总线的通信。

  主机放数据流程

  对于主机发送数据的流程,有如下几点需要特别注意:
  1、主机是通过发送地址码与从机建立通信,其他从设备也收到了地址码,因为与自身的地址码不一样,退出总线通信;
  2、主机的一次发送通信,发送的数据数量是不受限制的,主机通过发送停止信号,结束发送,从机收到停止信号,退出通信。
  3、主机通过从机的ACK信号来判断从机接收情况,如果应答错误则会重新发送。
  6. 主机接收数据流程
  1、主机发送开始信号,并发送命令字节(7位ADDRESS+R/W位=1);
  2、从机收到命令后,向主机返回一个ACK,并发送数据;
  3、主机收到从机数据后,向从机发送一个ACK;
  4、从机收到主机的ACK后,继续发送数据;
  5、当主机完成数据接收,会向从机发送一个NACK(非应答),从机收到主机的非应答信号后,停止发送数据;
  6、主机发送停止信号,释放总线结束通信;
  主机的这个NACK包含两个意思,前一个字节数据接收完毕,下一个字节数据不要再发了。

  主机接受数据流程

  7. 子地址
  带有IIC总线的器件除了有从机地址(salve address)外,还可能有子地址,从机地址是指该器件在IIC总线上被主机寻址的地址,而子地址是指该器件内部不同器件或存储单元的编址。例如,带IIC接口的EEPROM就是拥有子地址器件的典型代表。
  8. IIC总线的仲裁机制
  主控制器通过检测SDA上自身发送的电平和总线电平是否一样,来判断是否发生总线冲突,遵循低电平优先的原则(线与逻辑),谁先发送低电平谁就会掌握对总线的控制权。
  如下图,其中DATA1是主节点1,DATA2是主节点2,SDA是总线上呈现的状态。
  在两个红线之间,我们可以发现,此时的总线电平是0,而节点1是高电平,与总线电平不一样,此时节点1就会断开数据输出,变为从机接收状态,节点2就成为了主机。这样主节点2就赢得了总线,而且数据没有丢失,即总线的数据与主节点2所发送的数据一样,而主节点1在转为从节点后继续接收数据,同样也没有丢掉SDA线上的数据。因此在仲裁过程中数据没有丢失。

  IIC仲裁机制

  9. IIC时钟同步
  SCL线被有最长低电平周期的器件保持低电平。
  SCL时钟的高电平时钟周期由高电平时钟周期最短的器件决定。
  SCL线被有最长低电平周期的器件保持低电平。此时,低电平周期短的器件会进入高电平的等待状态。当所有的器件数完它们的低电平周期后,时钟线被释放并变成高电平,所有的器件开始数它们的高电平周期,最先完成高电平周期的器件会再次将SCL线拉低。所以,产生的同步SCL时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件决定。高电平时钟周期由高电平时钟周期最短的器件决定。

  IIC时钟同步

  该如何理解?我画了如下的简图。
  CLK1数完低电平后CONTROL ENGINEERING China版权所有,发现CLK2还是低电平,因为IIC总线的线与逻辑,此时的总线SCL为低电平。CLK2说总线听我的,你必须等我数完,此时CLK1虽然变为高电平,但是需要进入高电平等待状态,所以同步SCL的低电平周期是由低电平周期最长的器件决定的。
  数完低电平周期后,我们发现CLK1的高电平周期比较短,很快数完,此时将SCL拉低了,此时CLK2还是高电平,CLK1说,总线现在听我的,所以SCL的高电平周期由高电平周期最短的器件决定。

  如何理解IIC时钟同步

  10. 实测IIC波形

  实测IIC波形述

  三、硬件知识
  1. 外接上拉电阻
  IIC接口一般是OD机制,需要外接上拉电阻,否则无法输出高电平。

  IIC总线结构

  2. 上拉电阻的选择
  常见的上拉电阻阻值是1.5K,2.2K,4.7K,10K等,那我们该如何选择呢?
  敲重点:上拉电阻的最小值由上拉电源决定,最大值由总线电容决定!
  【关于最小值】
  一般I/O端口的驱动能力是2~4mA,一般上拉源是2.8V,一般OC或者OD门的导通电压是0.4V左右,那么上拉电阻不应小于(2.8-0.4V)/3mA=0.8K,所以上拉电阻最小值不应小于0.8K;
  【关于最大值】
  上拉电阻不宜过大,总线的上升时间取决于总线的电容和上拉电阻大小(上升时间和RC的乘积成正比),电阻越大,信号的上升越缓慢,会导致通信可能失败;
  总线电容和总线上所挂载的器件数量有关系,当挂载的器件变多时,电容会变大,这时候要考虑上拉电阻是不是要减小www.cechina.cn,以确保信号质量。
  【示波器测量】
  IIC总线规定,对于400KHz的应用来说,总线的上升时间需要小于等于300ns,根据经验,或者是器件的SPEC来选择合适的上拉电阻,当然,用示波器也可以测量信号的上升时间,看是否达到300ns的要求。
  3. PCB走线和抗干扰设计
  IIC是低速总线,不是差分线。正常情况下,比较不容易受到干扰,对于要求比较高的场合,需要针对性的对SDA和SCL进行保护。
  比如G-SENSOR,对动静功能或者是翻转功能要求比较高,此时SENSOR的数据量可能比较大www.cechina.cn,就需要进行保护www.cechina.cn,SDA和SCL间距最好达到2倍线宽,包地。
  ?比如FPC场合中,使用到IIC总线,此时,因为走线路径较长,容易受到干扰,需要远离天线等,最好包地。
  4. IIC串联保护电阻
  IIC协议还定义了串联在SDA、SCL线上电阻Rs。该电阻的作用是,有效抑制总线上的干扰脉冲进入从设备,提高可靠性,这个电阻的选择一般在100~200ohm左右。

IIC串联电阻

  5. 软件IO模拟IIC时序
  除了MCU的本身的硬件IIC接口,软件的GPIO也可以模拟IIC时序,有如下的要求:
  1、用于模拟I2C的处理器IO口,需要能输出高低电平,也能配置成输入。
  2、处理器在发送数据时,此时的上升时间与上拉电阻无关,且此时的信号上升时间比较短;接收数据时,处理器采用的是软件采样而不是硬件采样,所以上拉电阻可以适当大一些。
  3、软件模拟的只能单主机方式,多主机涉及到仲裁,软件模拟比较麻烦。
  4、总线空闲时www.cechina.cn,需要保持IO配置为输入或者高阻,或者是输出高电平。
  6. IIC上拉电源选择
  选择合适的上拉源,如下,VDDP=VDDM的话,从机关闭时,就可能会有漏电到从机里,此时最好选择VDDP=VDDS,即按照设计要求,选择合适的上拉源。

  IIC上拉电源选择
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