I2C是一種同步、多主控、多從屬串行接口，允許單片機(jī)的相互通信。作為漏極開路/集電極開路的通信標(biāo)準(zhǔn)，即使集成電路使用不同的電壓軌，I2C也允許集成電路（IC）進(jìn)行通信。

一、I2C標(biāo)準(zhǔn)的四種速度

I2C標(biāo)準(zhǔn)具有四種運(yùn)行速度：

1.標(biāo)準(zhǔn)模式：100 kHz；
2.快速模式：400 kHz；
3.快速模式加：1 MHz；
4.高速模式：3.4 MHz。

二、I2C總線：串行數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘

I2C總線使用兩根線串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL），事實(shí)上所有I2C主從設(shè)備僅通過這兩條線相連接。每個(gè)設(shè)備既可以是發(fā)射機(jī)，也可以是接收機(jī)。

SDA和SCL信號(hào)都是雙向的。每個(gè)器件的SDA和SCL引腳均為漏極開路引腳。它們具有連接到其的上拉電阻以獲得邏輯1。邏輯1取決于電源電壓；邏輯1取決于電源電壓。沒有標(biāo)準(zhǔn)的總線電壓。

三、I2C的結(jié)構(gòu)

讓我們討論集成在IC中的I2C的I/O單元結(jié)構(gòu)。I2CI/O單元結(jié)構(gòu)的框圖如圖1所示。

圖 1. I2C的I/O驅(qū)動(dòng)器框圖

在發(fā)送時(shí)間范圍內(nèi)使能TX塊（使能指的是允許信號(hào)），而在接收時(shí)間范圍內(nèi)使能RX塊。

四、I2C模塊中的發(fā)送器電路

發(fā)送器電路框圖如圖2所示。

圖2.發(fā)送器框圖

VDD1和VDD2是主器件和從器件工作的兩個(gè)不同的電壓軌。VDD1是內(nèi)部操作的芯片電源，而VDD2是外部系統(tǒng)使用的電源電壓。為了支持不同的電壓軌，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從一種電源電壓轉(zhuǎn)換為另一種電源電壓。

A是要在引腳SDA/SCL上發(fā)送出去的數(shù)據(jù)信號(hào)。VDD1掉電期間，TLZ是三態(tài)控制。TZ從VDD1移位到VDD2，以使能A_OUT的輸出漏極開路緩沖器。

如果在系統(tǒng)運(yùn)行過程中有意或無意地使VDD1掉電，而VDD2仍處于活動(dòng)狀態(tài)，則TZ使能信號(hào)變低或不確定。這可以使輸出緩沖器為A_OUT。

TLZ信號(hào)用作故障安全機(jī)制。TLZ在掉電期間被拉低，從而將TZ信號(hào)拉高。此時(shí)，不再啟用輸出緩沖區(qū)。當(dāng)VDD1掉電時(shí)，漏極開路緩沖器將處于三態(tài)狀態(tài)。

五、I2C模塊中的接收器電路

接收器電路框圖如圖3所示。

圖3.接收器框圖

接收器電路通過RX_EN信號(hào)使能。TLZ具有與發(fā)射器塊相同的功能。HSMODE信號(hào)啟用高速模式。

RX_EN信號(hào)從VDD1到VDD2進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以使能接收Y_IN信號(hào)的緩沖器。然后，電平轉(zhuǎn)換器將緩沖的Y_IN信號(hào)移至VDD1電壓軌。

六、使用故障過濾器

I2C信號(hào)容易受到噪聲和干擾。結(jié)果，您需要一個(gè)毛刺濾波器來濾除所有不需要的毛刺，并僅允許有效信號(hào)通過。在標(biāo)準(zhǔn)/快速模式下，<= 50ns的毛刺被抑制。在高速模式下，抑制毛刺<= 10ns。 毛刺濾波器的設(shè)計(jì)如圖4所示，時(shí)序圖圖5所示。

圖4.毛刺濾波器設(shè)計(jì)

圖5.毛刺濾波器的時(shí)序圖

RC時(shí)間常數(shù)會(huì)延遲通過信號(hào)并抑制任何毛刺。R1，C1，R2，C2的組合確定要抑制的毛刺的脈沖寬度。根據(jù)I2C規(guī)范，接收器應(yīng)能夠抑制標(biāo)準(zhǔn)和快速模式下<= 50ns的毛刺脈沖，以及在高速模式下<= 10ns的毛刺脈沖。 來自毛刺濾波器的輸出信號(hào)被緩沖，并被IC處理以進(jìn)行進(jìn)一步的操作。

七、開漏配置的上拉電阻

I2C線路上的輸出緩沖器采用漏極開路配置，我們將在有關(guān)I2C總線所需硬件的文章中對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。任何I2C器件只能在這些I2C線上驅(qū)動(dòng)低電平或使其處于三態(tài)。為了獲得邏輯高電平，需要在三態(tài)條件下將上拉電阻器將其拉至電壓軌。

當(dāng)器件驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，這些上拉電阻通過NMOS汲取電流，如圖6所示。

圖6.開漏配置

上升時(shí)間取決于上拉電阻和寄生電容的時(shí)間常數(shù)，通常比下降時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)橄陆凳怯善骷从蒒MOS）驅(qū)動(dòng)的。因此，對(duì)于不同的工作速度，需要使用不同的上拉電阻。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的單片機(jī)中I2C模塊的I/O單元結(jié)構(gòu)。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)、運(yùn)放芯片和模擬開關(guān)。