I2C应用: 不能说的秘密

I2C如今已经成为芯片间低速串行通信的事实标准，被广泛使用在消费、控制类电子设备场合。本文就实际应用中隐藏的一些简单问题进行讨论。 I2C专利问题

I2C是Philips在1987年获得的专利，必须得到Philips的授权才能使用，比如Maxim带有I2C接口功能的产品中一般都声明：购买Maxim Integrated Products, Inc.或其它经过认证的相关公司的I2C产品，需转让将这些产品用于I2C系统的Philips I2C专利许可协议，保证系统符合Philips定义的I2C标准规范。I2C协议虽然简单，但却受到Philips专利的限制。ATMEL，Maxim，Cirrus Logic，Linear等厂商都曾被Philips起诉侵权，就连使用这些产品的一些中国台湾主板厂家也未能幸免。
很多厂商采用多种手段来规避Philips专利，最典型的就是避称I2C，而采用其他称谓。一些厂家把串行控制接口设计成与I2C兼容（是I2C协议的子集），但却称为“Two wire”接口，如今手机市场中应用最多的CMOS Sensor芯片的串行控制接口采用的就是这种策略。还有一类处理器，其采用软件模拟I2C接口时序的策略与其他设备通信，而不将I2C协议固化再硬件中，此举也可有效避开Philips专利。比如目前最流行的台系手机平台，即便将硬件I2C接口设计入芯片，但参考软件中仍然采用软件模拟的方法来完成I2C通信。不过，基本的I2C专利在2004年已经期满，大多数I2C应用已经不受Philips的专利限制（从基本I2C扩展的一些高速规范以及I2C地址分配等仍然受到专利限制）。以目前某最流行的台系手机平台为例，在其某平台手册中，串行接口标称支持SCCB（OV所有，与I2C兼容协议）；而在其升级平台中则标称支持I2C/SCCB。笔者推断，这两个平台芯片的控制端口不可能做过硬件修改，名称的变化或许就是受到了专利到期消息的刺激。上拉电阻阻值的确定 由于I2C接口采用Open Drain机制，器件本身只能输出低电平，无法主动输出高电平，只能通过外部上拉电阻RP将信号线拉至高电平。因此I2C总线上的上拉电阻是必须的！
         RP不宜过小，一般不低于1KΩ一般IO 端口的驱动能力在2mA～4mA量级。如果RP阻值过小，VDD灌入端口的电流将较大，这导致端口输出的低电平值增大(I2C协议规定，端口输出低电平的最高允许值为0.4V)；如果灌入端口的电流过大，还可能损坏端口。故通常上拉电阻应选取不低于1KΩ的电阻（当VDD＝3V时，灌入电流不超过3mA）。RP不宜过大，一般不高于10KΩ由于端口输出高电平是通过RP实现的，线上电平从低到高变化时，电源通过RP对线上负载电容CL充电，这需要一定的时间，即上升时间。端口信号的上升时间可近似用充电时间常数RPCL乘积表示。信号线负载电容（对地）由多方面组成，包括器件引脚、PCB信号线、连接器等。如果信号线上挂有多个器件，负载电容也会增大。比如总线规定，对于的400kbps速率应用，信号上升时间应小于300ns；假设线上CL为20PF，可计算出对应的RP值为15KΩ。如果RC充电时间常数过大，将使得信号上升沿变化缓慢，达不到数据传输的要求。因此一般应用中选取的都是几KΩ量级的上拉电阻，比如都选取4K7的电阻。小阻值的RP电阻增大了端口Sink电流，故在可能的情况下，RP取值应稍大一点，以减少耗电。另外，通产情况下，SDA,SCL两条线上的上拉电阻取值是一致的，并上拉到同一电源上。

PCB布局布线与抗干扰设计
I2C信号线属于低速控制线，在手机PCB设计时，按通常的控制IO对待即可，无需做特别的保护设计，一般不用担心受到噪声源干扰。
但在一些特定的情况下，比如折叠、滑盖机型中，I2C的两根信号线需要通过转轴或滑轨处的FPC，此时由于信号路径比较长，距离天线比较近，而且Open drain的输出级对地阻抗大，对干扰比较敏感，因此比较容易受到RF信号源的干扰。在这种情况下，就应适当注意对I2C信号线的保护。比如I2C两条信号线（SDA,SCL）等长度地平行走线，两边加地线进行保护，避免临近层出现高速信号线等。
上拉电阻应安置在OD输出端附近。当I2C总线上主从器件（Master & Slave）两端均为OD输出时，电阻放置在信号路径的中间位置。当主设备端是软件模拟时序，而从设备是OD输出时，应将电阻安置在靠近从设备的位置。
I2C协议还定义了串联在SDA、SCL线上电阻Rs。该电阻的作用是，有效抑制总线上的干扰脉冲进入从设备，提高可靠性。这个电阻的选择一般在100～200ohm左右。当然,这个电阻并不是必须的，在恶劣噪声环境中，可以选用。
            
比如常用的FM 接收模块或者Capsense触摸感应功能块，都是通过I2C接口控制的。I2C接口信号从处理器出发，经过PCB上的信号路径，进入上述电路单元。I2C信号线上载有一定干扰，这种干扰虽然幅度并不很大，但还是会影响敏感的FM接收模块或Capsense触摸感应功能块。此时，可以通过在靠近FM模块或触摸感应模块的I2C信号线上串接Rs电阻，即可有效降低干扰的影响。此外，上拉电阻端的电源也要进行退耦处理。
软件模拟I2C时序
由于一般的I2C应用速率并不高（400kbps），使用处理器的IO口模拟I2C波形,完全可以胜任（处理器一般担任Master，占有I2C通信的控制权，无需担心随机的I2C通信服务中断其他任务的执行）。
处理器分配给I2C任务的IO口，要求可以输出高低电平，还能配置为输入端口。处理器根据总线规范以及从设备的时序要求，利用2条IO信号线，模拟I2C接口时序波形，进行I2C通信。
处理器发送数据时，通过IO口输出高电平，上升时间基本与外部上来电阻阻值无关，且比用外部上拉电阻上拉到高电平快很多。处理器在接受数据时，即便上拉电阻阻值选的大一些，从设备输出数据的波形上升沿缓慢，但由于处理器使用软件采样的而非硬件采样，因此，对数据传输的结果并不影响。也就是说，使用IO口模拟I2C时序时，上拉电阻阻值可以适当选的大一些。
需要指出的是，使用软件模拟最多只能完成单Master的应用，对于多Master应用，由于需要进行总线控制权的仲裁管理，使用软件模拟的方法很难完成。
I2C总线空闲的时候，两条信号线应该维持高电平。否则，上拉电阻上会有耗电。特别是在上电过程中，IO线上电平也应保持在高电平状态。也就是说：当Master的I2C使用的是IO软件模拟时，一定要保证该两个IO上电默认均为输入（或高阻）或者输出高电平，切不可默认为输出低电平。IO默认为输入时，可以通过外部上拉电阻将I2C信号线拉至高电平。
          
I2C应用中上拉电阻电源问题
在部中分应用中，还存在主从设备以及上拉电阻电源不一致的情况，比如Camera模组。在很多设计方案中，Camera模组不工作时，并不是进入Power Down模式，而是直接关闭模组供电VDDS。此时，处理器与模组相互连接的所有信号线都应该进入高阻态，否则就会有电流漏入模组；而对于此时的I2C控制信号线来说，由于上拉电阻的存在，必须关断上拉电阻电源VDDP。如果上拉电阻使用的是系统电源VDDM（VDDP=VDDM），无法关闭，就会有漏电流进入模组；因此这种情况下，应该使用VDDS作为上拉电阻电源（VDDP=VDDS），这样上拉电阻电源与Slave电源即可同时关闭,切断了漏电路径。
另外需要注意的是，在上述应用实例中选择的IO，应该选取上电默认为输入（或高阻）才行。
             
 
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