簡述i2c總線的工作原理 i2c通信過程 i2c通信協議原理

一、I2C總線定義

要搞清楚一種總線，就跟了解一件事情的來龍去脈一樣，首先要弄清楚由來。

I2C是Inter-Intergrated Circuit的簡稱，英文翻譯過來是：內置集成電路。為什么I2C是內置集成電路？I2C總線是由Philips公司在80年代初開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，為了讓主板、嵌入式系統用以連接低速的周邊設備而發展的，從這個字面上意思上來看，I2C是一種低速率的串行總線，為了解決低速設備接入高速設備而存在的。

I2C可以寫成I2C、IIC，I2C之所以被廣泛應用，因為這種通信總線比較簡單，物理上只需要兩根線--串行數據線（SDA）和串行時鐘線(SCL)，即可在連接于總線上的器件傳送信息。這里說明一點，I2C僅限于板級間走線，因為通信距離受到一些參數限制，比如總線的負載電容、總線上的電流等等。既然是雙方或者多方通信，肯定會有發起的一方。我們將發起通信的這一方稱為主器件，主器件用來啟動總線傳送數據，并產生時鐘，數據在時鐘脈沖的作用下，去尋址從器件。此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。在總線上主和從、發和收的關系不是恒定的，而取決于此時數據的傳輸方向。主機負責產生時鐘和終止數據傳送。

二、工作原理

下圖是I2C總線電路的結構分析，虛框內是IC內的電路，虛框外是外部電路。

從上圖可以看出：I2C兩根線：一根串行時鐘線SCL、一根串行數據線SDA，且兩根線對應到器件的兩個pin均是雙向的，也就是說主器件和從器件不是恒定不變的。

Pin腳的電路結構為開漏輸出（開漏輸出的典型特點是需外接上拉電阻才能對外輸出高電平），所以需要通過上拉電阻接電源VCC，保證總線空閑時兩根線都是高電平，且能夠實現高低電平的變化。總線在傳輸數據時，當SCL電平為高時，SDA數據有效，且需要保持一定的時間；當SCL為低電平時，SDA數據無效，允許變化。

I2C總線有主從之分，連接總線的外部器件也都是CMOS器件，輸出級也都是開漏電路，在總線上消耗的電流很小，這樣保證I2C總線不需要太大的電流驅動能力。但I2C總線上可擴展的器件數量主要是由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容，而線路中電容會影響總線傳輸速度，當電容過大時，有可能造成傳輸錯誤。所以需要根據不同的負載電容去估算支持的最大從設備數量。I2C總線的電容負載能力為400pF（通過驅動擴展可達到4000pF），每一個器件的輸入都相當于一個等效電容，由于I2C總線擴展器件的連接方式為并聯，因為I2C總線的等效電容等于每個器件的等效電容之和，等效電容存在會造成傳輸信號波形的畸變，在超出范圍時，會導致數據傳輸出錯。

由上圖可以看出，Rp是上拉電阻，CL就是該器件I2C接口的對GND電容，上拉電阻Rp計算方式：(VDDmax-UINLmax)/Rpmin< （2~4）mA（I/O口的灌電流）其中:VDDmax:電源電壓的最大值，UINLmax:I/O口上允許的低電平的最大值（CMOS電路結構中UINL<=0.7V）

舉例：評估出一個最小的上拉電阻阻值

已知：電源電壓VDD=5V±%10，IO端口的驅動能力為3mA，UINmax=0.7V，則最小的上拉電阻計算如下：

(VDDmax-UINmax)/Rpmin<3mA 代入數據，得Rpmin=1.6k；

上拉電阻Rp的最大值計算

總線電容是線路連接和管腳的總電容，它決定了Rp的最大值

1）標準模式：每條總線線路的最大電容負載都為400pF,且Tr<300ns；

2）快速模式：每條總線線路的最大電容負載都為200pF,且Tr<300ns；

I2C的速率：

標準模式SM(Standard mode)：100kbit/s,

快速模式FM(Fast mode)：400kbit/s,

快速+模式（Fast mode Plus）：1Mbit/s

高速模式HS(High-speed mode):3.4Mbit/s

快速模式器件的輸入有抑制毛刺的功能，SDA和SCL輸入有施密特觸發器；

快速模式器件的輸入緩沖器對SDA和SCL信號的下降沿有斜率控制功能；

如果快速模式器件的電源電壓被關斷，SDA和SCL的I/O管腳必須懸空，不能阻塞總線；

評估I2C總線一個最大的上拉電阻阻值方法

I2C端口輸出高電平是通過Rp上拉到VDD實現，線上電平由低到高的變化，電源通過Rp對線上負載電容Cl充電，從低電平切換到高電平，是需要一定時間的，即上升時間，這個上升時間可以近似用充電時間常數RpCl表示，瑞昱100kbit/s速率應用，信號上升時間小于300ns，假設線上的Cl為20pF,計算出對應的Rp值為17k。（計算公式：Rpmax=tr/(0.8473Cb)），tr為上升時間，Cb為總線電容。最大的Rpmax是變化的，需要根據實際的Cb計算。