5.1 TI Precision Labs - I2C: Hardware Overview

大家好，欢迎观看高精度实验室 推出的 I²C硬件概述培训。 在本视频中，我们将讨论如何在硬件的 最基本层面实施协议。 我们将讨论一些用于实施 I²C 硬件的 关键设计参数。 内部 IC (I²C)接口创建于 1982 年， 旨在利用简单、稳健的低成本 协议在 IC 之间进行通信，同时 尽可能减少引脚数量。 随着外设部件的种类日益增多， I²C 能够给系统设计人员带来的好处 显而易见，于是 I²C 接口迅速普及起来， 在作为一项标准公布之后， 很快得到了广泛应用。 很多器件都会使用 I²C 接口，因此系统设计人员可以创造无限可能， 唯一能够限制设计能力的只有他们 自身的创造力。 这里我们只列举几种可以使用的器件： IO 扩展器、温度传感器、光传感器、存储器、 键盘扫描仪、压力传感器、湿度传感器、 ADC、DAC 以及I²C 协议中 使用的多种其他器件。 I²C 总线非常常用且强大， 用于在一个或多个主器件与 一个或多个从器件之间进行通信。 总线只包含两条线： 串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL。 SCL 和 SDA 都具有开漏或开路集电极 驱动器和输入缓冲器，支持 双向通信或数据传输。 正如此处所看到的，主器件拉低了总线， 因此在总线上生成了低电平信号。 随后，我们可以看到从器件拉低了总线， 然后生成了低电平信号。 这样，它就具备了双向性质。 本视频中稍后会介绍硬件方面的内容。 I²C 协议是8 位数据结构，这是 大多数微控制器和处理器中常用的 数据格式。 这样，主器件即可使用 7 位 或 10 位地址与从器件 进行通信。 8 位中的7 位表示地址。 最后一个位表示消息的 方向，高电平表示读取操作， 低电平表示写入 操作。 I²C 协议基于地址， 这意味着所有从器件都有一个唯一的地址。 此地址通常是在硬件中将 地址引脚连接到逻辑 高电平或低电平而确定的。 在本例中，我们会看到地址 引脚 A2、A1、A0 拉至接地。 这样，二进制的地址就是 1、1、1、0、0、0、0， 以十六进制表示为 70。 有些从器件没有地址引脚， 而是采用无法更改的静态内部地址。 让总线采用并联连接 是一种别出心裁且非常有用的做法， 原因在于器件非常简单，可以连接到总线上的任意位置。 此外，还可以随时连接这些版本的从器件。 I²C 总线具有多种运行模式。 每种模式都涵盖多个运行时钟频率 并具有多种用来约束协议的限制。 对每种模式最重要的要求是 最高时钟频率、最大总线电容 和最长上升时间，I²C 标准中定义了所有这些 要求。 三种最常用的运行模式包括 标准模式，运行频率介于 0 到 100 千赫兹之间， 最大总线电容为 400 皮法， 最长上升时间为 1000 纳秒； 快速模式，运行频率介于 0 到 400 千赫兹之间， 最大总线电容为 400 皮法， 最长上升时间为 300 纳秒； 以及超快速模式，运行频率 介于 0 到 1000 千赫兹之间， 最大总线电容为 550 皮法，最长上升时间为 120 纳秒。 再说一遍。 I²C 协议物理层 是一个简单的双线总线，利用开漏架构 实现双向通信， 而不像其他接口那样使用推挽或差分 驱动器。 主器件和从器件具有用于 SCL 和 SDA 的输入缓冲器，并可以具有用于 SCL 和 SDA 的开漏驱动器。 始终存在一个用于生成高电平的外部电路。 在大多数情况下，此操作由 上拉电阻器执行。 这表明主器件或从器件都可以 使用开漏驱动器在总线上拉低， 以生成 0 或低电平。 也就是说，会打开 N 通道，在某些情况下是 双极 NPM。 高电平完全取决于上拉电阻器。 必须注意的是，I²C 标准为每种 运行模式指定了最大总线总电容。 这包括总线上由于迹线而产生的 寄生电容，此电容是总线 及其回路接地的宽度、长度、电介质材料以及它们之间的 距离的一个函数。 总线中的每个器件也会导致总线的 电容增大。 I²C 标准为每种运行 模式限制了总线电容 C BUS 的 总量，此值定义了 最高时钟频率。 为了满足所使用 运行模式的时序要求， 我们需要保持在最长上升时间规格内。 SCL 和 SDA 的最长上升时间规格 由我们的上拉NC 总线所创建的 RC 时间常数控制，并被定义为从 VIL 过渡到 VIH 时花费的时间。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频