I2C總線(xiàn)設計注意事項

　　對于硬件工程師，I2C再熟悉不過(guò)了，兩根線(xiàn)，一根數據SDA一根時(shí)鐘SCL。當時(shí)在使用avr CPU設計數據采集器產(chǎn)品的CPU主板，外掛了Silicon lab的溫濕度傳感器Si7013，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，主要實(shí)現溫濕度、時(shí)鐘及電流電壓等信號通過(guò)I2C總線(xiàn)到達CPU進(jìn)行處理，并且由MCU EFM32WG290F64控制在液晶上和上位機界面上的CPU自帶的I2C總線(xiàn)外掛的六個(gè)I2C從設備，如下圖1所示。

　　圖1：Avr的I2C接口電路圖

　　最初時(shí)候，此CPU主板的I2C接口僅掛了實(shí)時(shí)時(shí)鐘和溫度芯片，采用CPU自帶的I2C接口。在調試時(shí)，波形都比較正常，上升沿和下降沿都能符合要求，通常跑的速率為100KHz。然而后期改版，需要在I2C接口上增加四個(gè)I2C設備，線(xiàn)路也相應地變長(cháng)，在調試的時(shí)候，就發(fā)現CPU主板上電后，I2C工作異常，偶爾會(huì )讀不到任何信息。

　　經(jīng)過(guò)了長(cháng)時(shí)間的查問(wèn)題階段，發(fā)現通過(guò)I2C接口的SDA和SCL上拉電阻的大小與放置位置都是有講究的。通常I2C上拉電阻放在CPU引出的位置，若沒(méi)有外掛的I2C芯片就不需要加上拉電阻，這點(diǎn)在我們的CPU主板是沒(méi)有問(wèn)題的。然后就是上拉電阻，這個(gè)通常講的就是與速率有關(guān)，我們將上拉電阻從4.7K，2.2K，1K甚至幾百歐姆都測試過(guò)，在1K和2.2K的情況下，上升沿和下降沿會(huì )比較陡一點(diǎn)。速率100KHZ下采用2.2K的上拉電阻測試出的I2C波形，如圖2所示。

　　圖2：在100Khz下，采用2.2K的上拉電阻測試出的I2C波形

　　最終測出的情況，在上拉電阻為4.7K的時(shí)候，速率在100KHZ，波形是正常的;在2.2K的時(shí)候，速率在100Khz的時(shí)候，波形也是正常;在1K的時(shí)候，速率為400Khz，波形也正常;在470歐姆的時(shí)候，速率為400KHZ，波形就會(huì )畸變。我們采用的上拉2.2K，速率為100KHZ的接口，仍出現CPU板電后I2C工作異常，讀不到任何異常信息。后發(fā)現是SDA被一直拉低了，SCL一直為高，I2C被死鎖了。

　　為了解決這種問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò )上找到一種采用IO模擬I2C的方式，調試了一周后，發(fā)現這個(gè)問(wèn)題得到了解決。將I2C接口當做普通IO來(lái)操作可能是改動(dòng)最小的一種方式。其實(shí)針對這個(gè)問(wèn)題，還有一些辦法可以使用：

　　1)盡量選用帶復位輸人的I2C從器件。

　　2)將所有的從I2C設備的電源連接在一起，通過(guò)MOS管連接到主電源，而MOS管的導通關(guān)斷由I2C主設備來(lái)實(shí)現。

　　3)在I2C從設備設計看門(mén)狗的功能。

　　4)在I2C總線(xiàn)上增加一個(gè)額外的總線(xiàn)恢復設備，用來(lái)監視I2C總線(xiàn)。當設備檢測到SDA信號被拉低超過(guò)指定時(shí)間時(shí)，就在SCL總線(xiàn)上產(chǎn)生9個(gè)時(shí)鐘脈沖，使I2C從設備完成讀操作，從死鎖狀態(tài)上恢復出來(lái)?？偩€(xiàn)恢復設備需要有具有編程功能，一般可以用單片機或CPLD實(shí)現這一功能。

　　由于avr CPU帶多個(gè)I2C從設備出現死鎖的問(wèn)題，雖然能夠通過(guò)IO模擬解決問(wèn)題，但是對于編程來(lái)說(shuō)比較麻煩，IO模擬在高速上面效果并不好。后來(lái)更換了Silicon Labs的MCU，型號為EFM32WG290F64，做了一個(gè)最小系統板，外圍電路不變，I2C死鎖問(wèn)題不再存在，有效地解決了我的I2C問(wèn)題。采用EFM32WG290F64讀到的I2C波形如下：

　　圖3：EFM32WG290F64讀到的I2C波形

　　另外，設計中通過(guò)采用了多片溫濕度傳感器Si7013，精度也非常高，特別在高溫條件下，測試的濕度準確率也非常高。其實(shí)I2C接口在我們的設計中再常見(jiàn)不過(guò)，但在設計中還是要特別注意以下幾點(diǎn)，能夠充分考慮以下的要點(diǎn)，I2C設計就可以游刃有余。

　　1)I2C線(xiàn)路的負載電容不能超過(guò)400pF;

　　2)需要滿(mǎn)足上升沿和下降沿的時(shí)序關(guān)系;

　　3)I2C上拉電阻和速率有著(zhù)密切的聯(lián)系，需要選擇合理;

　　4)如何判斷死鎖的情況，如上面所示，并提供了一系列的解決方案。