I2C总线应用系统设计

I2C总线快速模式

快速模式器件可以在400kbit/s下接收和发送。最小要求是：它们可以和400kbit/s传输同步，可以延长SCL信号的低电平周期来减慢传输。快速模式器件都向下兼容，可以和标准模式器件在0~100kbit/s的I2C总线系统通讯。但是，由于标准模式器件不向上兼容，所以不能在快速模式I2C总线系统中工作。快速模式I2C总线规范与标准模式相比有以下特征：

1、最大位速率增加到400kbit/s；

2、调整了串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号的时序；

3、快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，SDA和SCL输入有施密特触发器；

4、快速模式器件的输出缓冲器对SDA和SCL信号的下降沿有斜率控制功能；

5、如果快速模式器件的电源电压被关断，SDA和SCL的I/O管脚必须悬空，不能阻塞总线；

6、连接到总线的外部上拉器件必须调整以适应快速模式I2C总线更短的最大允许上升时间。对于负载最大是200pF的总线，每条总线的上拉器件可以是一个电阻，对于负载在200pF~400pF之间的总线，上拉器件可以是一个电流源（最大值3mA）或者是一个开关电阻电路。

I2C总线高速模式

高速模式（Hs模式）器件对I2C总线的传输速度有巨大的突破。Hs模式器件可以在高达3.4Mbit/s的位速率下传输信息，而且保持完全向下兼容快速模式或标准模式（F/S模式）器件，它们可以在一个速度混合的总线系统中双向通讯。

Hs模式传输除了不执行仲裁和时钟同步外，与F/S模式系统有相同的串行总线协议和数据格式。

高速模式下I2C总线规范如下：

1、Hs模式主机器件有一个SDAH信号的开漏输出缓冲器和一个在SCLH输出的开漏极下拉和电流源上拉电路。这个电流源电路缩短了SCLH信号的上升时间，任何时候在Hs模式，只有一个主机的电流源有效；

2、在多主机系统的Hs模式中，不执行仲裁和时钟同步，以加速位处理能力。仲裁过程一般在前面用F/S模式传输主机码后结束；

3、Hs模式主机器件以高电平和低电平是1:2的比率产生一个串行时钟信号。解除了建立和保持时间的时序要求；

4、可以选择Hs模式器件有内建的电桥。在Hs模式传输中，Hs模式器件的高速数据（SDAH）和高速串行时钟（SCLH）线通过这个电桥与F/S模式器件的SDA和SCL线分隔开来。减轻了SDAH和SCLH线的电容负载，使上升和下降时间更快；

5、Hs模式从机器件与F/S从机器件的唯一差别是它们工作的速度。Hs模式从机在SCLH和SDAH输出有开漏输出的缓冲器。SCLH管脚可选的下拉晶体管可以用于拉长SCLH信号的低电平，但只允许在Hs模式传输的响应位后进行；

6、Hs模式器件的输出可以抑制毛刺，而且SDAH和SCLH输出有一个施密特触发器；

7、Hs模式器件的输出缓冲器对SDAH和SCLH信号的下降沿有斜率控制功能。

I2C总线特点可以概括如下：

(1)在硬件上，I2C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺。因此I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。因为I2C芯片除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。

(2)I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。

(3)I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试，故障可以立即被寻址，软件也利于标准化和模块化，缩短开发时间。

(4)连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。

(5)总线具有极低的电流消耗，抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。