I2C總線設(shè)計注意事項

　　對于硬件工程師，I2C再熟悉不過了，兩根線，一根數(shù)據(jù)SDA一根時鐘SCL。當時在使用avr CPU設(shè)計數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)品的CPU主板，外掛了Silicon lab的溫濕度傳感器Si7013，實時時鐘，主要實現(xiàn)溫濕度、時鐘及電流電壓等信號通過I2C總線到達CPU進行處理，并且由MCU EFM32WG290F64控制在液晶上和上位機界面上的CPU自帶的I2C總線外掛的六個I2C從設(shè)備，如下圖1所示。

　　圖1：Avr的I2C接口電路圖

　　最初時候，此CPU主板的I2C接口僅掛了實時時鐘和溫度芯片，采用CPU自帶的I2C接口。在調(diào)試時，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I2C設(shè)備，線路也相應地變長，在調(diào)試的時候，就發(fā)現(xiàn)CPU主板上電后，I2C工作異常，偶爾會讀不到任何信息。

　　經(jīng)過了長時間的查問題階段，發(fā)現(xiàn)通過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，若沒有外掛的I2C芯片就不需要加上拉電阻，這點在我們的CPU主板是沒有問題的。然后就是上拉電阻，這個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，在1K和2.2K的情況下，上升沿和下降沿會比較陡一點。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的時候，速率在100KHZ，波形是正常的;在2.2K的時候，速率在100Khz的時候，波形也是正常;在1K的時候，速率為400Khz，波形也正常;在470歐姆的時候，速率為400KHZ，波形就會畸變。我們采用的上拉2.2K，速率為100KHZ的接口，仍出現(xiàn)CPU板電后I2C工作異常，讀不到任何異常信息。后發(fā)現(xiàn)是SDA被一直拉低了，SCL一直為高，I2C被死鎖了。

　　為了解決這種問題，在網(wǎng)絡上找到一種采用IO模擬I2C的方式，調(diào)試了一周后，發(fā)現(xiàn)這個問題得到了解決。將I2C接口當做普通IO來操作可能是改動最小的一種方式。其實針對這個問題，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(shè)備的電源連接在一起，通過MOS管連接到主電源，而MOS管的導通關(guān)斷由I2C主設(shè)備來實現(xiàn)。

　　3)在I2C從設(shè)備設(shè)計看門狗的功能。

　　4)在I2C總線上增加一個額外的總線恢復設(shè)備，用來監(jiān)視I2C總線。當設(shè)備檢測到SDA信號被拉低超過指定時間時，就在SCL總線上產(chǎn)生9個時鐘脈沖，使I2C從設(shè)備完成讀操作，從死鎖狀態(tài)上恢復出來。總線恢復設(shè)備需要有具有編程功能，一般可以用單片機或CPLD實現(xiàn)這一功能。

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

　　圖3：EFM32WG290F64讀到的I2C波形

　　另外，設(shè)計中通過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I2C接口在我們的設(shè)計中再常見不過，但在設(shè)計中還是要特別注意以下幾點，能夠充分考慮以下的要點，I2C設(shè)計就可以游刃有余。

　　1)I2C線路的負載電容不能超過400pF;

　　2)需要滿足上升沿和下降沿的時序關(guān)系;

　　3)I2C上拉電阻和速率有著密切的聯(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。