通信协议 - I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通讯总线，可允许存在多主机，但同一时刻只能有一个主机在线。I2C 由两条开漏信号线组成，接线简单，利用电阻上拉，典型电平为正逻辑 3.3V 或 5V。传输速率分快速模式（400Kb/s）、标准模式（100Kb/s）、低速模式（10Kb/s）。

在 I2C 总线上，从机以它的 I2C 地址被选择。这样子可以用在一个主机上通过两根线控制多个从机。

I2C 的引脚

• SCL（serial clock）：由主机产生的方波，用来控制传输速率和数据的锁存。
• SDA（serial data）：这是一个 半双工、同步 的信号线，传输的数据包括地址、控制信号与通信数据。

I2C 地址

• I2C 地址划分，是 7 bit 地址加上 1 bit 读写指示。
• I2C 总线上的每个设备都必须有一个唯一的地址，如果地址重复会出问题。有些设备的 I2C 地址是可以编程设置的。

I2C 通信

• START：主机在 SCL 为高时，拉低 SDA 发起。
• STOP：主机在 SCL 为高时，释放 SDA（变为高电平）发起。
• ACK（acknowledge）：I2C 传输都是随着每个 SCL 脉冲，每次传输 1 个字节（8 个位）。每次传输的第 9 个脉冲被保留为从机的确认信号，每次的 ACK 信号表示前一次传输成功。

I2C 传输句段示例

这一段传输的值为 11001101：

1. 主机拉低 SDA 电平以产生 START 信号。
2. 第一个位被设置，主机拉低 SCL，将时钟信号经过 DAC 进行输出。
3. 传输到第九个位时，主机不会拉低 SDA，如果从机确认传输完整，则将 SDA 拉低让主机知道。

有效的数据传输

1. 在 SCL 保持高电平（传输数据）时，SDA 在这段时间内必须保持稳定才有效。
2. 在 SCL 节拍间的低电平，才允许 SDA 切换数值。
3. 当 SCL 为高电平，SDA 发生变化时，就会被解释为 START、RESTART 或 STOP 事件。

接口电路上升 / 下降计时

如图，晶体管将在低电平时导通，并将 $C_b$ 电容放电到低电平。反之，晶体管将在高电平时截止，上拉电阻会将 $C_b$ 充电至高电平。

• $t_r$（上升时间）：信号从低电平过渡到高电平的最大时间。因为 I2C 是开漏信号，所以上升时间由上拉电阻和总线电容的 RC 时间常数决定。
• $t_f$（下降时间）：信号从高电平过渡到低电平的最大时间。

I2C 上拉电阻计算

• 上拉电阻最小值：$R_{Pull(Min)}=\frac{V_{DD}-V_{OLMAX}}{I_{SinkMax}}$
• 上拉电阻最大值：$R_{Pull(Max)}=\frac{t_r}{0.8473*C_b}$

其中，上拉电阻最小值会带来最短的上升时间。如果用的阻值比这个再小，就会导致当输出晶体管开启（逻辑低电平）时，消耗过多的电流，违反最大逻辑低电平输出的规范。

上拉电阻最大值会带来最长的上升时间。如果使用大于此值的上拉电阻，将会违反时序要求。

$V_{DD}$ 表示供电电压；$V_{OLMAX}$ 表示最大逻辑低电平（典型值为 0.4V）；$I_{SinkMax}$ 表示最大灌电流（典型值为 3mA）；$C_b$ 表示总线电容，取决于 PCB 走线的长度和宽度，与连接至总线的设备的电容。

计算示例：

参考与致谢

• 《Analog Engineer’s Pocket Reference》
• I2C 总线该怎么用？看完你就会了
• [电路]I2C 总线协议 🚧

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