IIC的使用

IIC特点

• 主从通信
• 高速IIC总线一般可达400kbps以上，用于低速设备通信
• 传输距离短，一般设计PCB板时，外设嵌入pcb
• 半双工通信，同一时间只能单项通信，任意时刻只能有一个主机
• IIC总线上可连接128个设备，但0x00地址不使用，因此127个设备，但实际设计情况，建议不超过8个，因为总线电容不能超过400pF
• 速率和模式：I2C支持不同的通信速率，通常有
  • 标准模式（100 kbit/s）
  • 快速模式（400 kbit/s）
  • 快速plus模式（1Mbit/s）
  • 高速模式（3.4 Mbit/s）
  • 超高速模式（5 Mbit/s）

IIC通信流程

四个信号

归纳上方流程，发现有四个信号：

1. 起始信号-第一步
2. 发送信号-第二、四步
3. 应答信号-第三、五步
4. 终止信号-最后一步

4种信号都是使用SCL(时钟线)和SDA(数据线)的电平状态，来表示和传输

起始信号S&&停止信号P

SCL和SDA在空闲状态下，都是高电平

起始信号

SCL为高电平时，SDA为高电平向低电平跳变，广播IIC总线上的所有设备，开始传输数据

停止信号

SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，广播IIC总线上的所有设备，这一次数据传输已经结束，可以开始下一次传输。

发送信号&&接收信号

读写状态

如何定义0和1？

• SCL为低电平，SDA为写状态，设备可以改变SDA的高低电平状态
• SCL为高电平，SDA为读状态，设备可以读取SDA的高低电平状态，此时SDA的状态要求稳定、

真实数据

数据传输

1. 发送信号

寻址数据

​ IIC通信流程第二步，主机广播想要通信的从机地址，IIC总线上所有设备接受到这个地址后，与自己的地址作比较，若相同，则应答

note：传输方向决定第四、五步的发送器和接受器

eg: 假设 传输方向 0：主\(\to\)从

第四步发送器：主机发送器

第五步接收器：从机接收器

第4+2n步和第5+2n步重复以上两个步骤，方向不可更改

信息数据

​ IIC通信流程第四步: 发送1Byte的信息

2. 应答信号

• 0: 应答
• 1: 非应答,即异常终止

IIC的常见使用方式

1. 主机给从机发数据

值得注意的是IIC通信终止方式：

• 主机终止：主机发送P
• 从机终止：主机发送数据后，从机不应答，主机发送P

2. 从机给主机发数据

• 主机终止：从机发送数据后，主机不应答，从机也就不再发送数据，主机发送P

3. 主从机交互式发数据

note: S和P之间为一次传输，在此期间，其它设备无法抢占总线，同时主机可以再次发送寻址信号，改变传输方向。

芯片设计

电气特性

总线高低电平定义

一般总线上认为，低于 \(0.3 Vdd\) 为低电平，高于 \(0.7Vdd\) 为高电平。

对于电源电压固定为5(1±10％)v的器件，其逻辑电平规定如下：

• Vilmax=1.5v（最大输入低电平）
• Vihmax＝3v（最大输入高电平）

对于能够适应电源电压范围较宽的器件（如cmos类），其逻辑电平规定如下：

• Vilmax＝0.3vdd（最大输入低电平）
• Vihmax＝0.7vdd（最大输入高电平）

传输速度模式

上拉电阻

由于I2C接口采用Open Drain机制，器件本身只能输出低电平，无法主动输出高电平，只能通过外部上拉电阻RP将信号线拉至高电平。因此I2C总线上的上拉电阻是必须的,所以在SCL总线和SDA总线上，加上"上拉电阻"，I2C的上拉电阻可以是1.5K，2.2K，4.7K。

上拉电阻放置建议

应安置在OD输出端附近。当I2C总线上主从器件（Master & Slave）两端均为OD输出时，电阻放置在信号路径的中间位置。当主设备端是软件模拟时序，而从设备是OD输出时，应将电阻安置在靠近从设备的位置

上拉电阻的分析，为什么要有一个合适的上拉电阻？

1. 上拉电阻过小，总线上电流增大，端口输出低电平增大。

2. 上拉电阻过大，上升沿时间增大，方波可能会变成三角波

上拉电阻的计算公式

最大电阻

\[R_p(max)=\frac{t_r}{0.8473\times C_b} \]

符号定义: 上升沿时间 tr 、负载电容 Cb 、标准上升沿时间 0.8473 有关。

最小电阻

\[R_p(min)=\frac{V_{dd}-V_{OL}(max)}{I_{OL}} \]

符号定义: 电源 \(Vdd\) 电压、GPIO 的最大输出电压 \(V_{OL}\)、 GPIO的自己最大电流 \(I_{OL}\) (3mA)有关

电源电压限制了上拉电阻的最小值 ；负载电容（总线电容）限制了上拉电阻的最大值

负载电容: IIC总线挂的设备越多，电容也就越大。

关于计算Rp的基本参数如下表所示：

1、标准模式：0~100KHz，上升沿时间 tr = 1us

2、快速模式：100~400KHz，上升沿时间 tr = 0.3us

3、快速plus模式：up to 3.4MHz，上升沿时间 tr = 0.12us

实例计算

在实际的应用中，决定电阻的所有变量中，总线的负载电容很难精确地计算，只能大致的估计范围。

因此通常在应用中，一般是根据估计和经验选择一个临时上拉电阻，然后根据波形的测试效果去选择合适的电阻。

在一些系统中，假设10k，4.7k，2k电阻都能满足要求，那么就要在速度和功耗中按照设计需求进行取舍，上拉电阻越大意味着功耗越低，同时要牺牲部分上升时间。上拉电阻小意味着功耗高，同时意味着总线的扩展能力更强，

由此公式，假设 Vdd 是 3.3V 供电，Cb 总线电容是200pF(虽然协议规定负载电容最大 400pF，实际上超过 200pF 波形就很不好，我们以 200pF 来计算)

标准模式-100kbit/s

\[Rp（max）= \frac{tr}{0.8437*Cb}= \frac{1000 \times 10^{-9}} {0.8437 \times 200 \times 10 ^{-12}}=5.9KΩ \]

快速模式-400kbit/s

举例说明下I2C总线基本参数是Cb=200pF，VDD=3.3V，计算Rp值。

\[Rp（max）= \frac{tr}{0.8437*Cb}= \frac{300 \times 10^{-9}} {0.8437 \times 200 \times 10 ^{-12}}=1.77KΩ\\ \]

根据以上计算，Rp应选择966.667Ω–1.77KΩ之间的即可，具体阻值根据实际情况来确定。

快速模式plus-1Mbit/s

\[Rp（max）= \frac{tr}{0.8437*Cb}= \frac{120 \times 10^{-9}} {0.8437 \times 200 \times 10 ^{-12}}=708Ω \]

由于电源电压限制了上拉电阻的最小值 ；负载电容（总线电容）限制了上拉电阻的最大值,所以三种模式下的\(Rp(min)\)一样

\[Rp（min）= \frac{ VDD - Vol(max)}{I_{ol}} = \frac{3.3-0.4}{3 \times 10^{-3}}=966.667Ω \]

一般芯片驱动电流为\(3mA\),所以上拉电阻\(\frac{3V}{R_p} < 3mA\),即\(R_p>1K\)

推荐：不同速率采用的电阻一般有以下几种：1.5K、2.2K、4.7K，总线速率越高，总线上拉电阻要越小。一般应用采用4.7K，如果挂多个设备，为保证通信速率，选择2.2k。

功耗问题

上拉电阻与总线的电容形成了RC，高速时将直接影响通讯，所以功耗与速度，二者只可得其一。

电阻越小，功耗越高。

1. IIC扩展IO芯片

芯片: PCA9555PW

PCA955PW的数据手册

IIC的地址引脚

指令形式

[s] [从机地址+方向] [command byte] [内容] [p]

值得注意的是

意思是，command=2，如果内容中第一个字节发送给output port 1,那么下一个字节将发送给output port 0 ，也就是说下一个字节的数据必将发给同一对寄存器(eg: output port0 && output port1)中的另一个。

command=

cmmond=2

2. IIC连接显示屏

3. IIC连接存储器(EEPROM)

4. IIC连接实时时钟(RTC)

5. I2C/SPI至UART

芯片: SC16IS740/750/752

参考

[1] B站-创客学院视频

[2] CSDN-IIC原理超详细讲解---值得一看

[3] 一文详解I2C总线 - -电子发烧友网 (elecfans.com)

[4] IIC上拉电阻的选择与计算-电子发烧友网 (elecfans.com)

[5] I²C - Wikipedia