【導(dǎo)讀】如果說(shuō)有一種工程師人盡皆知的總線技術(shù)，那非I2C莫屬。I2C在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡(jiǎn)化、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。它是雙向總線，可以在任何IC工藝（NMOS，CMOS，雙極性）中輕松實(shí)現(xiàn)，并允許簡(jiǎn)單的IC間通信。
在硬件上，I2C總線只需要一根數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘線兩根線，總線接口已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，不需要特殊的接口電路，而且片上接口電路的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)上的毛刺。因此I2C總線簡(jiǎn)化了硬件電路PCB布線，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。問題來(lái)了，如果因?yàn)楦鞣N原因，I2C器件需要從你的主PCB上挪開，該注意什么？
移除I2C器件，請(qǐng)避免通過(guò)電纜發(fā)送單端信號(hào)
從PCB上挪開I2C器件首先要避免的是通過(guò)電纜發(fā)送單端信號(hào)，這里比較可行的做法是使用一對(duì)I2C擴(kuò)展器，例如ADI公司的LTC4331，該產(chǎn)品是一款I(lǐng)2C擴(kuò)展器，具備總線緩沖器系列的常見功能。使用LTC4331時(shí)需要將一個(gè)安裝在本地PCB上，另一個(gè)安裝在遠(yuǎn)程板上，然后，在本地I2C主機(jī)和遠(yuǎn)程I2C從機(jī)上創(chuàng)建連接。這里可以使用單根雙絞線實(shí)現(xiàn)連接，例如來(lái)自CAT的雙絞線，也可以采用RJ45連接器實(shí)現(xiàn)連接。
在實(shí)際應(yīng)用中又會(huì)是什么狀態(tài)呢？I2C主機(jī)向遠(yuǎn)程從機(jī)（例如其中的LTC4331）發(fā)送一個(gè)命令， 從機(jī)會(huì)接收，然后發(fā)回，完成向/從差分信號(hào)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，但不會(huì)消耗應(yīng)用資源。值得一提的是可以使用I2C總線覆蓋3/4英里及更遠(yuǎn)的距離。
在本地，運(yùn)行速率可以達(dá)到MHz，I2C主機(jī)會(huì)控制本地和遠(yuǎn)程端的總線速度，這里的LTC 4331可以設(shè)置為按100kHz、400kHz或1MHz的速率與從機(jī)通信。下圖中未包含提醒和控制通道， 它們的狀態(tài)也通過(guò)雙線鏈路編碼和傳輸。所以，可以看出，LTC 4331對(duì)支持和中斷從遠(yuǎn)程從機(jī)返回的信號(hào)，支持額外的控制信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)可由引腳設(shè)置，或者可由帶I2C的寄存器和命令一起編程。
由一對(duì)LTC 4331組成的解決方案具備差分對(duì)的優(yōu)點(diǎn)，性能也極為可靠，可以安裝在極為惡劣的環(huán)境中。LTC 4331可以承受IEC 4級(jí)ESD攻擊，還可以調(diào)節(jié)4個(gè)電氣快速瞬變，具有+/-60V容錯(cuò)，這在操作人員在安裝后無(wú)法啟動(dòng)，或在現(xiàn)場(chǎng)意外損壞時(shí)非常有用，比如傳輸信號(hào)和電源的電纜壓在一起。
高噪聲工業(yè)環(huán)境下的I2C設(shè)備擴(kuò)展器
上面提到LTC4331是一款點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、兼容SMBus的 I2C 從器件擴(kuò)展器，專為在高噪聲工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行而設(shè)計(jì)。LTC4331采用 ±60V 故障保護(hù)差分收發(fā)器，可通過(guò)單個(gè)雙絞線差分鏈路（最長(zhǎng)1200米）擴(kuò)展 I2C/SMBus 總線，包括SMBALERT和一個(gè)控制信號(hào)。該解決方案采用擴(kuò)展的共模工作范圍，可以容忍節(jié)點(diǎn)之間大的地面差異。對(duì)于EMI敏感環(huán)境，壓擺率控制引腳可降低差分鏈路發(fā)出的EMI。
此外，LTC4331可以充當(dāng) I2C 至 I2C 的橋接器，使本地和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)之間能擁有獨(dú)立總線頻率。該解決方案對(duì)主設(shè)備完全透明，在大多數(shù)情況下不需要額外的數(shù)字碼; 但提供了用于其他配置和故障監(jiān)視的控制接口。強(qiáng)烈建議使用完全支持SCL時(shí)鐘拉伸的主控制器。
一個(gè)完整的擴(kuò)展 I2C 網(wǎng)絡(luò)需要兩個(gè) LTC4331 器件。利用REMOTE引腳，一個(gè)LTC4331被配置為本地模式，并作為一個(gè)全功能的SMBus兼容I2C從屬器件，通過(guò)這個(gè)本地接口，一個(gè)主站可以沿差分電纜對(duì)一個(gè)遠(yuǎn)距離的從站設(shè)備進(jìn)行尋址。在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，另一個(gè)LTC4331被配置為遠(yuǎn)程模式的I2C 主設(shè)備，與遠(yuǎn)程從屬設(shè)備相連。
除了LTC4331，還有一款點(diǎn)對(duì)點(diǎn)堅(jiān)固型 SPI 擴(kuò)展器LTC4332，這是ADI針對(duì)跨長(zhǎng)距離的高噪聲工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行而設(shè)計(jì)。該器件采用一個(gè) ±60V 故障保護(hù) RS485 接口收發(fā)器，可通過(guò)兩根雙絞線電纜傳輸 SPI 數(shù)據(jù)，包括高達(dá) 2MHz 的中斷信號(hào)。差分鏈路上的擴(kuò)展共模范圍和高共模抑制性能可容許節(jié)點(diǎn)之間存在大的地電位差異。另外，LTC4332 還支持鏈路上的外部電氣隔離。LTC4332 提供一個(gè)控制接口，該接口采用一個(gè)用于配置和故障監(jiān)視的單獨(dú)從設(shè)備選擇。
結(jié)語(yǔ)
I2C無(wú)處不在，使得連接更容易。ADI公司的I2C解決方案系列支持熱插拔、雙線式雙向總線緩沖器，可將I/O卡插入帶電背板中，而不會(huì)損壞數(shù)據(jù)和時(shí)鐘總線。ADI的軟件可編程和引腳可選I2C多路復(fù)用器有助于解決I2C地址限制，增加扇入或扇出能力，并為一體化解決方案集成總線緩沖器和上升時(shí)間加速度計(jì)。電阻可配置I2C地址轉(zhuǎn)換器可配置超過(guò)100個(gè)獨(dú)特的從機(jī)地址，使多個(gè)具有相同地址的從器件可在同一總線上共存。
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