单片机中I2C模块的IO接口单元结构

I2C是一种同步、多主控、多从属串行接口，允许单片机的相互通信。作为漏极开路/集电极开路的通信标准，即使集成电路使用不同的电压轨，I2C也允许集成电路（IC）进行通信。

一、I2C标准的四种速度

I2C标准具有四种运行速度：

1.标准模式：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总线：串行数据和串行时钟

I2C总线使用两根线串行数据（SDA）和串行时钟（SCL），事实上所有I2C主从设备仅通过这两条线相连接。每个设备既可以是发射机，也可以是接收机。

SDA和SCL信号都是双向的。每个器件的SDA和SCL引脚均为漏极开路引脚。它们具有连接到其的上拉电阻以获得逻辑1。逻辑1取决于电源电压；逻辑1取决于电源电压。没有标准的总线电压。

三、I2C的结构

让我们讨论集成在IC中的I2C的I/O单元结构。I2CI/O单元结构的框图如图1所示。

图 1. I²C的I/O驱动器框图

在发送时间范围内使能TX块（使能指的是允许信号），而在接收时间范围内使能RX块。

四、I2C模块中的发送器电路

发送器电路框图如图2所示。

图2.发送器框图

VDD1和VDD2是主器件和从器件工作的两个不同的电压轨。VDD1是内部操作的芯片电源，而VDD2是外部系统使用的电源电压。为了支持不同的电压轨，需要一个电平转换器将信号从一种电源电压转换为另一种电源电压。

A是要在引脚SDA/SCL上发送出去的数据信号。VDD1掉电期间，TLZ是三态控制。TZ从VDD1移位到VDD2，以使能A_OUT的输出漏极开路缓冲器。

如果在系统运行过程中有意或无意地使VDD1掉电，而VDD2仍处于活动状态，则TZ使能信号变低或不确定。这可以使输出缓冲器为A_OUT。

TLZ信号用作故障安全机制。TLZ在掉电期间被拉低，从而将TZ信号拉高。此时，不再启用输出缓冲区。当VDD1掉电时，漏极开路缓冲器将处于三态状态。

五、I2C模块中的接收器电路

接收器电路框图如图3所示。

图3.接收器框图

接收器电路通过RX_EN信号使能。TLZ具有与发射器块相同的功能。HSMODE信号启用高速模式。

RX_EN信号从VDD1到VDD2进行电平转换，以使能接收Y_IN信号的缓冲器。然后，电平转换器将缓冲的Y_IN信号移至VDD1电压轨。

六、使用故障过滤器

I2C信号容易受到噪声和干扰。结果，您需要一个毛刺滤波器来滤除所有不需要的毛刺，并仅允许有效信号通过。在标准/快速模式下，<= 50ns的毛刺被抑制。在高速模式下，抑制毛刺<= 10ns。 毛刺滤波器的设计如图4所示，时序图图5所示。

图4.毛刺滤波器设计

图5.毛刺滤波器的时序图

RC时间常数会延迟通过信号并抑制任何毛刺。R1，C1，R2，C2的组合确定要抑制的毛刺的脉冲宽度。根据I2C规范，接收器应能够抑制标准和快速模式下<= 50ns的毛刺脉冲，以及在高速模式下<= 10ns的毛刺脉冲。 来自毛刺滤波器的输出信号被缓冲，并被IC处理以进行进一步的操作。

七、开漏配置的上拉电阻

I2C线路上的输出缓冲器采用漏极开路配置，我们将在有关I2C总线所需硬件的文章中对此进行详细讨论。任何I2C器件只能在这些I2C线上驱动低电平或使其处于三态。为了获得逻辑高电平，需要在三态条件下将上拉电阻器将其拉至电压轨。

当器件驱动为低电平时，这些上拉电阻通过NMOS汲取电流，如图6所示。

图6.开漏配置

上升时间取决于上拉电阻和寄生电容的时间常数，通常比下降时间更长，因为下降是由器件（即由NMOS）驱动的。因此，对于不同的工作速度，需要使用不同的上拉电阻。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的单片机中I2C模块的I/O单元结构。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发，提供8位单片机、16位单片机、32位单片机、运放芯片和模拟开关。