【導(dǎo)讀】I2C,即Inter-Integrated Circuit,是一種常用的串行通信協(xié)議,用于在器件之間——特別是兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電路之間建立通信。I2C Primer是最常用的I2C。本文將介紹I2C Primer的基本特性和標(biāo)準(zhǔn),并重點(diǎn)說明在通信實(shí)現(xiàn)過程中如何正確使用該協(xié)議。從I2C的基本原理出發(fā),我們將介紹其變體子集——系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)——的可用性及二者的區(qū)別。這三種協(xié)議各有專門的功能,旨在滿足不同的客戶需求。
為何重要?
I2C 有利于設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)的眾多節(jié)點(diǎn)之間建立簡(jiǎn)單、雙向、靈活的通信。I2C僅使用兩條雙向線來發(fā)送和接收信息,從而降低了復(fù)雜性。它還允許設(shè)計(jì)人員配置多個(gè)主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)IC之間的通信。I2C對(duì)管理系統(tǒng)和電源的開發(fā)人員也很有利,讓他們能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建高質(zhì)量的產(chǎn)品。
"溝通(通信)對(duì)那些致力于溝通(通信)的人有用。"
—John Powell
通信協(xié)議在組織設(shè)備之間通信時(shí)扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。此類協(xié)議具有明確的、為實(shí)現(xiàn)成功通信而協(xié)商一致的規(guī)則。
如果您曾經(jīng)使用LED顯示器、傳感器甚至加速度計(jì)模塊之類的東西構(gòu)建過系統(tǒng),那么您很可能已經(jīng)使用過I2C。I2C支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接單個(gè)主器件和多個(gè)主器件連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性。如果您希望物盡其用,讓一個(gè)微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個(gè)存儲(chǔ)卡,或向單個(gè)LCD顯示文本,則此特性非常有用。
除了最常用的I2C Primer,I2C還有兩個(gè)變體,分別專注于系統(tǒng)和電源應(yīng)用,稱為系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)。
根據(jù)定義,Inter-Integrated Circuit (I2C)——也稱為Inter IC——是一種硬件通信協(xié)議,它通過一條多主器件、多節(jié)點(diǎn)、串行通信總線進(jìn)行同步通信。同步通信意味著兩個(gè)(或兩個(gè)以上)交換數(shù)據(jù)的器件共享一條公共時(shí)鐘線。I2C廣泛用于將低速外圍IC連接到處理器和微控制器。I2C總線由飛利浦公司設(shè)計(jì),它讓位于同一電路板上的器件之間可以輕松通信。
I2C Primer
接口
使用一條串行數(shù)據(jù)(SDA)線、一條串行時(shí)鐘(SCL)線和一個(gè)公共接地來承載所有通信,最大程度地減少連接。
圖 1. 集成電路彼此直接通信
每個(gè)I2C器件有兩條線路:
● SDA是供主器件和節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。
● SCL是承載時(shí)鐘信號(hào)的線路。SCL總是由I2C主器件生成。規(guī)范對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的低相位和高相位有最短周期要求。
I2C總線僅使用兩條雙向線路:每個(gè)器件的SDA和SCL用于簡(jiǎn)單的IC間通信。
圖 2. I2C 上拉電阻連接
硬件最重要的注意是在SDA和SCL上加入上拉電阻。I2C器件通過開集或開漏引腳連接到總線,將線路拉低。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí),I2C總線處于高電平空閑狀態(tài);線路被被動(dòng)拉高。要傳輸數(shù)據(jù),須切換線路,即先拉低再釋放(又變?yōu)楦唠娖剑?shù)據(jù)位在時(shí)鐘下降沿傳輸。
開漏輸出需要一個(gè)上拉電阻(圖2中的Rp)才能正確輸出高電平。上拉電阻連接在輸出引腳和高電平所需的輸出電壓(圖2中的VDD)之間。
對(duì)于VCC和VDD (5 V)的典型值,4700 Ω是最常用的上拉電阻值。
作為參考,屏蔽2 AWG雙絞線電纜的電容范圍為100 pF?m至240pF?m。因此,I2C鏈路的最大總線長度約為1米(100 kBaud時(shí))或10米(10 kBaud時(shí))。非屏蔽電纜的電容通常要小得多,但只能用在以其他方式加以屏蔽的外殼內(nèi)。
表1總結(jié)了I2C的關(guān)鍵特性。
表1. I2C匯總
理論上,尋址模式的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為27或210,但有16個(gè)地址保留用于特殊用途。
I2C 是同步的,因此位的輸出通過主器件和節(jié)點(diǎn)之間共享的時(shí)鐘信號(hào)與位的采樣同步。時(shí)鐘信號(hào)始終由主器件控制。
保留I2C節(jié)點(diǎn)地址
有16個(gè)保留I2C地址。這些地址對(duì)應(yīng)于以下兩種模式之一:0000 XXX或1111 XXX。表2顯示了為特殊目的而保留的I2C地址。
表2. I2C保留地址
I2C 工作原理
I2C 數(shù)據(jù)在消息中傳輸,消息被分解為數(shù)據(jù)幀。讀寫協(xié)議包含地址幀(即節(jié)點(diǎn)的二進(jìn)制地址)和另一個(gè)數(shù)據(jù)幀,后者包含所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、開始和停止條件、重復(fù)起始位、讀?寫位以及每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的應(yīng)答?不應(yīng)答位。
時(shí)序規(guī)格表
I2C 時(shí)序表也很重要,因?yàn)楣こ處熇盟梢栽O(shè)計(jì)出與總線要求兼容的IC。每個(gè)數(shù)據(jù)速率都有自己的時(shí)序規(guī)格,主器件和節(jié)點(diǎn)必須遵守該規(guī)格才能正確傳輸數(shù)據(jù)。
表3顯示了時(shí)序規(guī)格表上給出的符號(hào)和參數(shù)。
表3. I2C時(shí)序規(guī)格表示例
圖 3. I2C 消息
I2C 傳輸子協(xié)議
總線上的傳輸要么是讀操作,要么是寫操作。讀取和寫入?yún)f(xié)議建立在一系列子協(xié)議之上,例如起始和停止條件、重復(fù)起始位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸位和應(yīng)答?不應(yīng)答位。
起始條件
顧名思義,起始條件總是在傳輸開始時(shí)出現(xiàn),并由主器件發(fā)起。這樣做是為了喚醒總線上的空閑節(jié)點(diǎn)器件。SDA線從高電平切換到低電平,然后SCL線從高電平切換到低電平。參見圖4。
重復(fù)起始條件
在不發(fā)出停止條件的情況下,起始條件可以在傳輸期間重復(fù)。這是一種特殊情況,稱為重復(fù)起始,用于改變數(shù)據(jù)傳輸方向、重復(fù)嘗試傳輸、同步多個(gè)IC,甚至控制串行存儲(chǔ)器。參見圖5。
地址幀
地址幀包含7位或10位序列,具體取決于可用性(參見數(shù)據(jù)手冊(cè))。參見圖6。
不像SPI,I2C沒有節(jié)點(diǎn)選擇線路,因此它需要另一種方法來讓節(jié)點(diǎn)知道數(shù)據(jù)正向其發(fā)送,而不是向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送。這是通過尋址來實(shí)現(xiàn)的。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一幀。
主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送到其所連接的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后,每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配,它便向主器件發(fā)送一個(gè)低電壓ACK位。如果地址不匹配,則節(jié)點(diǎn)什么也不做,SDA線保持高電平。
讀?寫位
地址幀的最后一位告知節(jié)點(diǎn),主器件是想要將數(shù)據(jù)寫入其中還是從中接收數(shù)據(jù)。如果主器件希望將數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點(diǎn),則讀?寫位處于低電平。如果主器件請(qǐng)求從節(jié)點(diǎn)得到數(shù)據(jù),則該位處于高電平。參見圖7。
ACK?NACK位
消息中的每一幀后面都跟隨一個(gè)應(yīng)答?不應(yīng)答位。如果成功接收到一個(gè)地址幀或數(shù)據(jù)幀,則接收器件會(huì)向發(fā)件者返回一個(gè)ACK位。
圖例:在下面的圖中,白色框表示節(jié)點(diǎn),藍(lán)色框表示主器件。參見圖8。
圖 4. 起始條件
圖 5. 重復(fù)起始條件
圖 6. 地址幀
圖 7. 讀 / 寫位
圖 8. 應(yīng)答 / 不應(yīng)答位
數(shù)據(jù)幀
主器件檢測(cè)到來自節(jié)點(diǎn)的ACK位之后,就準(zhǔn)備發(fā)送第一數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀總是8位長,并以MSB優(yōu)先方式發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后緊接著一個(gè)ACK?NACK位,以驗(yàn)證該幀是否已成功接收。主器件或節(jié)點(diǎn)(取決于誰發(fā)送數(shù)據(jù))必須收到ACK位,然后才能發(fā)送下一數(shù)據(jù)幀。參見圖9。
停止條件
發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀之后,主器件可以向節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是指SCL線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖剑缓笤赟CL線保持高電平的情況下,SDA線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>
在SCL線從低電平切換到高電平后,SDA線從低電平切換到高電平。參見圖10。
I2C傳輸步驟:寫入
有關(guān)寫入單個(gè)數(shù)據(jù)的I2C傳輸?shù)氖纠?,?qǐng)參見圖11。
第1步
主器件將SDA線從高電平切換到低電平,然后將SCL線從高電平切換到低電平,以將起始條件發(fā)送到每個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)。
第2步
主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及寫操作位發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。
例如,7位地址為0x2D,加上寫操作位(相當(dāng)于0),結(jié)果將是0x5A。
第3步
每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配,節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間,以返回一個(gè)ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配,則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。
在SCL的第九個(gè)脈沖期間拉低SDA線路可以發(fā)送ACK位,保持浮空高電平則為NACK。
第4步
主器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀。
第5步
傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后,接收器件再向發(fā)送者返回一個(gè)ACK位,以確認(rèn)成功接收該幀。
第6步
若要停止數(shù)據(jù)傳輸,主器件應(yīng)將SCL切換為高電平,然后將SDA切換為高電平,從而發(fā)送停止條件。
圖 9. 數(shù)據(jù)幀
圖 10. 停止條件
圖 11.寫入單個(gè)位置的 I2C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊(cè)示例
圖 12. 讀取單個(gè)位置的 I2C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊(cè)示例
I2C數(shù)據(jù)傳輸步驟:讀取
第1步
主器件將SDA線從高電平切換到低電平,然后將SCL線從高電平切換到低電平,以將起始條件發(fā)送到每個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)。
第2步
主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及寫操作位發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。
例如,7位地址為0x2D,加上寫操作位(相當(dāng)于0),結(jié)果將是0x5A。
第3步
每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配,節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間,以返回一個(gè)ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配,則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。
第4步
經(jīng)過初始啟動(dòng)、尋址和應(yīng)答之后,主器件已經(jīng)知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)及指向的地址,因此某些器件具有重復(fù)起始條件來清理事務(wù)。
注意:僅用于閱讀目的!
第5步
主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及讀操作位 發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。
例如,7位地址為0x2D,加上讀操作位(相當(dāng)于1),結(jié)果將是0x5B。
第6步
每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配,節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間,以返回一個(gè)ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配,則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。
第7步
得到ACK位之后,主器件接收來自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。
第8步
傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后,主器件再向發(fā)送者返回一個(gè)ACK位,以確認(rèn)成功接收該幀,或者如果讀取請(qǐng)求已經(jīng)完成,則主器件返回NACK。
第9步
若要停止數(shù)據(jù)傳輸,主器件應(yīng)將SCL切換為高電平,然后將SDA切換為高電平,從而發(fā)送停止條件。
單個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)
I2C使用尋址,所以單個(gè)主器件可以控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)。使用7位地址可提供128 (27)個(gè)唯一地址。使用10位地址很罕見,但可提供1024 (210)個(gè)唯一地址。要將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到單個(gè)主器件,請(qǐng)使用4.7 kΩ上拉電阻連接這些節(jié)點(diǎn),并將SDA和SCL線連接到VCC。
多個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)
多個(gè)主器件可以連接到單個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果同一系統(tǒng)中有多個(gè)主器件,那么當(dāng)兩個(gè)主器件爭(zhēng)著在同一時(shí)間通過SDA線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)問題。
為了解決這個(gè)問題,每個(gè)主器件在傳輸消息之前,需要檢測(cè)SDA線是低電平還是高電平。
如果SDA線為低電平,則說明總線由另一個(gè)主器件控制,該主器件應(yīng)等待。如果SDA線為高電平,則它可以安全傳輸消息。要將多個(gè)主器件連接到多個(gè)節(jié)點(diǎn),請(qǐng)按照?qǐng)D13所示,使用4.7 kΩ上拉電阻將SDA和SCL線連接到VCC。
圖 13. 連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)主器件
仲裁
若干I2C多主器件可以連接到同一I2C總線并同時(shí)運(yùn)行。通過不斷監(jiān)視SDA和SCL有無起始和停止條件,它們可以確定總線是否空閑。如果總線正忙,主器件將延遲掛起的I2C傳輸,直至停止條件指示總線再次空閑。
但是,可能發(fā)生兩個(gè)主器件同時(shí)開始傳輸?shù)那闆r。在傳輸過程中,主器件不斷監(jiān)視SDA和SCL。如果其中一個(gè)檢測(cè)到SDA為低電平,而它應(yīng)該為高電平,則該主器件將認(rèn)為另一主器件處于活動(dòng)狀態(tài),因而立即停止傳輸。此過程稱為仲裁。兩個(gè)主器件都會(huì)生成起始位并繼續(xù)各自的傳輸。
如果主器件恰好選擇相同的邏輯電平,則什么也不會(huì)發(fā)生。
一旦主器件嘗試施加不同的邏輯電平,則將信號(hào)拉低的主器件將被宣布為獲勝者;失敗者將檢測(cè)到邏輯不匹配,因而放棄傳輸。
請(qǐng)花點(diǎn)時(shí)間理解一下這種安排的簡(jiǎn)單性和有效性:
● 獲勝者繼續(xù)傳輸而不中斷——沒有數(shù)據(jù)損壞,沒有驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用,不需要重新啟動(dòng)事務(wù)。
● 理論上,失敗者可以在仲裁過程中監(jiān)視節(jié)點(diǎn)地址,如果恰好是被尋址的節(jié)點(diǎn),它可以做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。
● 如果相互競(jìng)爭(zhēng)的主器件均請(qǐng)求同一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),則仲裁過程不會(huì)不必要地中斷任一事務(wù)——不會(huì)檢測(cè)到不匹配,節(jié)點(diǎn)會(huì)將其數(shù)據(jù)輸出到總線,多個(gè)主器件可以接收到數(shù)據(jù)。
時(shí)鐘延展
也稱為時(shí)鐘同步。
注意:I2C規(guī)范沒有為時(shí)鐘延展規(guī)定任何超時(shí)條件——也就是說,任何器件都可以根據(jù)需要保持SCL。
在I2C通信協(xié)議中,時(shí)鐘速度和信號(hào)始終由主器件產(chǎn)生。I2C主器件產(chǎn)生的信號(hào)提供主器件和節(jié)點(diǎn)連接之間的同步。
在某些情況下,節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)不是以全狀態(tài)工作,在接收主器件生成的時(shí)鐘之前,需要減慢速度。這是通過一種稱為"時(shí)鐘延展"的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。
在時(shí)鐘延展期間,為了降低總線速度,允許節(jié)點(diǎn)壓低時(shí)鐘。而在主器件方面,在其變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后,必須回讀時(shí)鐘信號(hào)。然后,它必須等待,直至線路達(dá)到高電平狀態(tài)。
帶寬
雖然時(shí)鐘延展是一種常見做法,但它對(duì)帶寬有影響。使用時(shí)鐘延展時(shí),共享總線的總帶寬可能會(huì)顯著降低。即使使用這種技術(shù),總線性能仍然必須可靠且快速。有必要考慮使用時(shí)鐘延展的估計(jì)影響,尤其是在多個(gè)器件共享I2C總線的情況下。
圖 14. 微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)
通過時(shí)鐘延展,I2C節(jié)點(diǎn)器件可以強(qiáng)制主器件進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)器件需要更多時(shí)間來管理數(shù)據(jù)時(shí),例如存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備發(fā)送另一字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí),它可能會(huì)執(zhí)行時(shí)鐘延展。這通常發(fā)生在節(jié)點(diǎn)器件接收并確認(rèn)收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后。
哪些I2C節(jié)點(diǎn)器件需要時(shí)鐘延展?
是否需要時(shí)鐘延展取決于節(jié)點(diǎn)器件的功能。這里有兩個(gè)例子:
● 處理器件(如微處理器或微控制器)可能需要額外的時(shí)間來處理中斷,接收和管理數(shù)據(jù),以及執(zhí)行適當(dāng)?shù)墓δ堋?/p>
● 較簡(jiǎn)單的器件(如EEPROM)不在內(nèi)部處理數(shù)據(jù),因此不需要時(shí)鐘延展來執(zhí)行任何功能。
I2C 數(shù)據(jù)手冊(cè)示例概述
不同公司和制造商采用不同方法來創(chuàng)建數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖13顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)手冊(cè)示例和基本I2C細(xì)節(jié),包括寄存器和電子規(guī)格。
圖15. 微控制器存儲(chǔ)器映射
表4顯示了最常用的I2C寄存器。名稱和描述可能因數(shù)據(jù)手冊(cè)而異,但功能和用法相同。
表4. I2C寄存器描述
I2C的創(chuàng)建可能因使用情況而異。表5顯示了基本I2C驅(qū)動(dòng)程序API要求的示例。
表5. I2C驅(qū)動(dòng)開發(fā)
SMBus
眾所周知,SMBus可用于需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行關(guān)鍵監(jiān)控的應(yīng)用。它最常見的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)主板和嵌入式系統(tǒng)。對(duì)于溫度、電源電壓、風(fēng)扇監(jiān)控和?或控制集成芯片,它有額外的監(jiān)控規(guī)范。
SMBus是一種2線總線,類似于飛利浦公司于1980年代開發(fā)的I2C總線。兩個(gè)主要信號(hào)是時(shí)鐘(SMBCLK)和數(shù)據(jù)(SMBDAT)。I2C Primer和SMBus相互兼容,但存在明顯差異,例如:
● SMBus邏輯電平閾值是固定的,與器件的電源電壓不成比例。因此,具有不同電源電壓的器件可以在同一Primer上運(yùn)行。例如,一個(gè)SMBus可能具有多個(gè)由1.8 V、3.3 V和5 V電源供電的器件。
● 它們都以最高100 kHz的相同速度運(yùn)行,但I(xiàn)2C Primer有400 kHz和2 MHz兩個(gè)版本。
● SMBus規(guī)定了最低時(shí)鐘速度,并限制了時(shí)鐘在一個(gè)事務(wù)中可以延展的量。違反超時(shí)限制會(huì)導(dǎo)致所有SMBus器件復(fù)位其I?O邏輯以允許總線重啟。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了總線的魯棒性。
● 二者的超時(shí)也不同。I2C Primer沒有超時(shí),而SMBus有超時(shí)——對(duì)于10 kHz最低時(shí)鐘速度,可以考慮35 ms的超時(shí)。
● 分組差錯(cuò)校驗(yàn)(PEC)最初是為SMBus定義的。在每個(gè)事務(wù)的末尾添加一個(gè)分組錯(cuò)誤碼字節(jié)。
● 其余的一些差異涉及傳輸類型、警報(bào)線、暫停線、關(guān)斷或上電。
SMBus器件每次收到其自己的地址時(shí),無論在做什么,它都必須應(yīng)答(ACK),這是一個(gè)明確要求,目的是確保主器件可以準(zhǔn)確地判斷總線上哪些器件處于活動(dòng)狀態(tài)。
所有SMBus事務(wù)都通過指定的SMBus協(xié)議之一執(zhí)行。
SMBus還有一個(gè)可選信號(hào)SMBALERT#,節(jié)點(diǎn)器件可以使用該信號(hào)快速通知主器件或系統(tǒng)主機(jī),它有主器件需要的信息,例如報(bào)告故障情況。
圖16. SMBus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
SMBus上拉電路
圖17. SMBus上拉電路
SMBus地址
SMBus地址有7個(gè)二進(jìn)制位,通常表示為前4位、后3位以及最后一個(gè)字母b,例如0001 110b。這些地址占據(jù)總線上一個(gè)8位字段的高7位。然而,該字段的最低位另有含義,不屬于SMBus地址的范圍。
圖18. 節(jié)點(diǎn)地址
7位目標(biāo)地址從主器件發(fā)送到總線上的一個(gè)或多個(gè)器件(例如通過廣播地址)。
請(qǐng)注意,起始條件和停止條件是轉(zhuǎn)換,而不是位,在符號(hào)上方未顯示位計(jì)數(shù)。在事務(wù)圖中顯示時(shí),重復(fù)起始也是一個(gè)轉(zhuǎn)換,而不是一位,在符號(hào)上方也不顯示位計(jì)數(shù)。
圖19. SMBus消息
SMBus時(shí)序測(cè)量
表6. SMBus參數(shù)
PMBus:重新定義電源管理
除了SMBus之外,還有一個(gè)變體PMBus,它是一種開放標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議。這種靈活且高度通用的標(biāo)準(zhǔn)允許基于模擬和數(shù)字技術(shù)的器件之間進(jìn)行通信,并提供真正的互操作性,由此將能降低電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
PMBus用于帶有電源控制和管理器件的電源的數(shù)字管理。它具有支持電源管理要求的命令和結(jié)構(gòu)。這意味著I2C Primer和PMBus在電氣要求和命令語義上是兼容和可互操作的。
電源管理的基本參數(shù)之一是過壓電平監(jiān)控,PMBus提供了設(shè)置和讀取該值的命令。PMBus可以附加在I2C Primer和SMBus的已有特性上,充當(dāng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)(尤其是SMBus)之上的協(xié)議層。
I2C 規(guī)范僅描述了2線總線的物理層、時(shí)序和流控制。I2C規(guī)范沒有(像SMBus協(xié)議那樣)描述消息的格式,也沒有描述消息的內(nèi)容。
PMBus規(guī)范是一個(gè)完整的電源管理協(xié)議。它說明了如何將比特和字節(jié)從一個(gè)器件傳送到另一個(gè)器件(即傳輸)。它還描述了一種命令語言,賦予這些比特和字節(jié)以意義。
尋址
對(duì)于冗余系統(tǒng),一旦電源安裝到系統(tǒng)中,最多有三個(gè)信號(hào)來設(shè)置電源的地址位置:地址2、地址1和地址0。對(duì)于非冗余系統(tǒng),電源器件地址位置應(yīng)為B0h。
硬件
針對(duì)基于I2C VDD的電源和驅(qū)動(dòng)(對(duì)于VDD = 3.3 V),電源中的器件應(yīng) 與SMBus 2.0高功率規(guī)范兼容。該總線應(yīng)以3.3 V運(yùn)行。
電源
電源內(nèi)部的電路應(yīng)從備用輸出獲得電源。對(duì)于冗余電源,器件應(yīng)從"邏輯或"器件的系統(tǒng)側(cè)供電。只要系統(tǒng)中的電源或并聯(lián)冗余電源接通交流電源,PMBus器件就應(yīng)處于開啟狀態(tài)。
上拉電阻
電源內(nèi)部的SCL或SDA線上只能使用弱上拉電阻。主要上拉電阻由系統(tǒng)提供,可以連接到3.3 V或5 V。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要上拉電阻應(yīng)位于電源外部,并從備用電源軌獲取電源。
數(shù)據(jù)速度
電源中的PMBus器件應(yīng)以100 kbps SMBus全速運(yùn)行,并盡可能避免使用時(shí)鐘延展,因?yàn)樗鼤?huì)減慢總線速度。
總結(jié)
表8概述并總結(jié)了I2C Primer、SMBus(高功率和低功率)、PMBus的信號(hào)、時(shí)序和電氣規(guī)格。
I2C Primer、SMBus和PMBus有何關(guān)系?
SMBus最初開發(fā)用于協(xié)助電池管理系統(tǒng),使用I2C硬件,但增加了第二級(jí)軟件,最終允許器件熱插拔,而無需重新啟動(dòng)系統(tǒng)。PMBus擴(kuò)展了SMBus,定義了一組專門用于管理功率轉(zhuǎn)換器的器件命令,暴露了器件的測(cè)量電壓、電流、溫度等屬性。一般而言,I2C Primer、SMBus和PMBus器件可以共享總線而不會(huì)發(fā)生什么大問題。
I2C、SMB、PMB的優(yōu)勢(shì)
● 僅使用兩條線
● 具有ACK?NACK位
● 廣為人知的協(xié)議
● 支持多個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)
● 硬件不如UART復(fù)雜
● 廣泛使用的方法
缺點(diǎn)
● 數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢
● 數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位
● 實(shí)現(xiàn)所需的硬件比SPI復(fù)雜
圖20. SMBus時(shí)序測(cè)量
表7. PMBus尋址
用例
● 傳感器讀取
● 傳感器寫入
● EEPROM、溫度傳感器、觸摸屏、接近傳感器
● 傳輸和控制用戶指引的操作
● 與多個(gè)微控制器通信
● 消費(fèi)類電子設(shè)備
● 系統(tǒng)管理
● 電源管理
● 調(diào)試
表8. I2C Primer、SMBus和PMBus規(guī)格總結(jié)
參考電路
“I2C通信的優(yōu)勢(shì)和局限” 。Total Phase,2016年8月。
Afzal, Sal。 “I2C Primer:什么是I2C?(第一部分)” 。ADI公司。
Afzal, Sal。 “I2C時(shí)序:定義和規(guī)范指南(第2部分)” 。ADI公司。
Campbell, Scott。 “I2C通信協(xié)議基礎(chǔ)” 。Circuit Basics。
“I2C快速指南“。ADI公司。
“I2C是什么?” I2C 總線。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
ADALM2000實(shí)驗(yàn):放大器輸出級(jí)