浅析I²C总线设计的关键事项

对于硬件工程师，I²C再熟悉不过了，两根线，一根数据SDA一根时钟SCL。当时在使用avr CPU设计数据采集器产品的CPU主板，外挂了Silicon lab的温湿度传感器Si7013，实时时钟，主要实现温湿度、时钟及电流电压等信号通过I²C总线到达CPU进行处理，并且由MCU EFM32WG290F64控制在液晶上和上位机界面上的CPU自带的I²C总线外挂的六个I²C从设备，如下图1所示。

最初时候，此CPU主板的I²C接口仅挂了实时时钟和温度芯片，采用CPU自带的I²C接口。在调试时，波形都比较正常，上升沿和下降沿都能符合要求，通常跑的速率为100KHz。然而后期改版，需要在I²C接口上增加四个I²C设备，线路也相应地变长，在调试的时候，就发现CPU主板上电后，I²C工作异常，偶尔会读不到任何信息。

经过了长时间的查问题阶段，发现通过I²C接口的SDA和SCL上拉电阻的大小与放置位置都是有讲究的。通常I²C上拉电阻放在CPU引出的位置，若没有外挂的I²C芯片就不需要加上拉电阻，这点在我们的CPU主板是没有问题的。然后就是上拉电阻，这个通常讲的就是与速率有关，我们将上拉电阻从4.7K，2.2K，1K甚至几百欧姆都测试过，在1K和2.2K的情况下，上升沿和下降沿会比较陡一点。速率100KHZ下采用2.2K的上拉电阻测试出的I2C波形，如图2所示。

最终测出的情况，在上拉电阻为4.7K的时候，速率在100KHZ，波形是正常的；在2.2K的时候，速率在100Khz的时候，波形也是正常；在1K的时候，速率为400Khz，波形也正常；在470欧姆的时候，速率为400KHZ，波形就会畸变。我们采用的上拉2.2K，速率为100KHZ的接口，仍出现CPU板电后I²C工作异常，读不到任何异常信息。后发现是SDA被一直拉低了，SCL一直为高，I²C被死锁了。

为了解决这种问题，在网络上找到一种采用IO模拟I²C的方式，调试了一周后，发现这个问题得到了解决。将I²C接口当做普通IO来操作可能是改动最小的一种方式。其实针对这个问题，还有一些办法可以使用：

1）尽量选用带复位输人的I²C从器件。

2）将所有的从I²C设备的电源连接在一起，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I²C主设备来实现。

3）在I²C从设备设计看门狗的功能。

4）在I²C总线上增加一个额外的总线恢复设备，用来监视I²C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟脉冲，使I²C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。

由于avr CPU带多个I²C从设备出现死锁的问题，虽然能够通过IO模拟解决问题，但是对于编程来说比较麻烦，IO模拟在高速上面效果并不好。后来更换了Silicon Labs的MCU，型号为EFM32WG290F64，做了一个最小系统板，外围电路不变，I²C死锁问题不再存在，有效地解决了我的I²C问题。采用EFM32WG290F64读到的I²C波形如下：

另外，设计中通过采用了多片温湿度传感器Si7013，精度也非常高，特别在高温条件下，测试的湿度准确率也非常高。其实I²C接口在我们的设计中再常见不过，但在设计中还是要特别注意以下几点，能够充分考虑以下的要点，I²C设计就可以游刃有余。

1）I²C线路的负载电容不能超过400pF；

2）需要满足上升沿和下降沿的时序关系；

3）I²C上拉电阻和速率有着密切的联系，需要选择合理；

4）如何判断死锁的情况，如上面所示，并提供了一系列的解决方案。