I2C總線多路復(fù)用器詳解

在本文中，我們將闡明如何構(gòu)建可與 I 2 C 線路一起使用的雙向 2 位多路復(fù)用器電路。如果需要，該電路還具有作為電平轉(zhuǎn)換器工作的額外功能。該設(shè)計(jì)基于 GreenPAK? SLG46826V。由于 SDA 和 SCL 線路的雙向性，該設(shè)計(jì)可用于單主或多主 I 2 C 通信。

該電路是一個(gè)雙軌 IC，包括構(gòu)建適合 I 2 C 協(xié)議的雙向多路復(fù)用器電路所需的所有元件。使用此 IC 可實(shí)現(xiàn)小尺寸。除了實(shí)現(xiàn) I 2 C 多路復(fù)用器電路的小尺寸外，GreenPAK 還能夠集成電路所需的振蕩器和上拉電阻器。

該設(shè)計(jì)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以輕松修改以滿足閱讀器系統(tǒng)的要求。

通過(guò)將其放置在由 Arduino 板和四個(gè) I 2 C-LCD 屏幕組成的 I 2 C 網(wǎng)絡(luò)中對(duì)其進(jìn)行了檢查，其中每個(gè)屏幕包含相同的 I 2 C 地址。在設(shè)計(jì)的 IC 的幫助下，每個(gè)屏幕都被單獨(dú)寫入。

I 2 C 協(xié)議

連接兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備以傳輸和接收信息需要特殊的通信路徑，由發(fā)送方和接收方共享的通信協(xié)議控制。集成電路間總線，也稱為 I 2 C，是一種非常常見(jiàn)的雙向通信總線，使用兩條線路在設(shè)備之間發(fā)送串行信息。

I 2 C 用于在控制器和一組外圍設(shè)備之間創(chuàng)建通信網(wǎng)絡(luò)。它已得到眾多電子傳感器和執(zhí)行器的支持，因?yàn)樗咝乙子诓季€。I 2 C 總線支持7 位和10 位地址空間設(shè)備，由兩條信號(hào)線組成：SCL 和SDA 線，用于與設(shè)備進(jìn)行通信。SCL 代表“串行時(shí)鐘”，它承載由主機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)。SDA 代表“串行數(shù)據(jù)”，因此主機(jī)和從機(jī)都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)I 2 C 外設(shè)之間沒(méi)有傳輸時(shí)，SCL 和SDA 線都被上拉到V DD。

我們可以使用 I 2 C 協(xié)議連接多達(dá) 128 個(gè)設(shè)備，所有設(shè)備都共享相同的 SCL 和 SDA 線。圖 1 顯示了一個(gè)小規(guī)模的例子。

系統(tǒng)通常需要為不同的 IC 提供多種不同的電源電壓，如今的外圍設(shè)備通常在 I 2 C 總線和 I 2 C 電平轉(zhuǎn)換器或 I 2 C 總線多路復(fù)用器的幫助下連接到微控制器以解決兼容性問(wèn)題。

圖 1：I2C 網(wǎng)絡(luò)圖

I 2 C 總線多路復(fù)用器

在 I 2 C 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備都必須有一個(gè)唯一的不重復(fù)地址才能正確實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的通信，但是當(dāng)許多傳感器和外圍設(shè)備組合在同一條總線上時(shí)，相同的 I 2 C 地址可以分配給多個(gè)設(shè)備。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的多路復(fù)用電路，將具有相同地址的從設(shè)備連接到通信總線，我們可以通過(guò)輪詢輸入交換通道。

I 2 C 總線多路復(fù)用器電路是 SCL 和 SDA 總線的雙向選擇器，設(shè)計(jì)使用 SLG46826 雙軌 IC 構(gòu)建四通道輸出多路復(fù)用器電路，如圖 2 所示。 SCL 線的雙向性，雖然單主系統(tǒng)不需要，但確保拓?fù)淇捎糜诙嘀髋渲?，其中主?連接到圖 2 的左側(cè))可以仲裁輔助主(連接到地址上的圖 2 的右側(cè))可以向主 I 2 C 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令。

圖 2：I2C 總線多路復(fù)用器 IC 圖

GreenPAK 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)由兩個(gè)主要部分組成;SDA 線多路復(fù)用器和 SCL 線多路復(fù)用器。該電路的關(guān)鍵行為是 SLG46826 的雙向引腳和 OE(輸出啟用)邏輯的配置和靈活性，用于配置特定引腳是輸入還是輸出?？梢栽?Dialog 的網(wǎng)站上找到在GreenPAK Designer 軟件中創(chuàng)建的完整設(shè)計(jì)文件。

SDA 線路多路復(fù)用器

在這部分中，引腳 3 將根據(jù)輸入 A0 和 A1 的狀態(tài)連接到引腳 7、13、15、16 之一。這些輸入已配置為用作數(shù)字輸入/輸出。輸出類型為漏極開路 NMOS，輸入上拉至 10 kΩ 電阻。如圖 3 所示，NOR 門控制每個(gè)引腳的 OE“輸出使能”;當(dāng) OE 為“低”時(shí)，引腳變?yōu)檫B接到 10K 上拉電阻的輸入，當(dāng) OE 為“高”時(shí)，引腳變?yōu)檩敵銮覟?GND。

圖 3：SDA 線路復(fù)用器設(shè)計(jì)

3 位 LUT7 的輸出連接到引腳 3 的 OE，而 3L8 或非門的輸出將被多路復(fù)用并連接到引腳 7、13、15、16 的 OE。時(shí)間延遲塊被配置為下降Edge Delay 并因此產(chǎn)生到 NOR 門的時(shí)間延遲。2 位解復(fù)用器是使用塊 3L3、3L4、3L5、2L2 和 2L3 構(gòu)建的。

因此，當(dāng) [A1A0] = [00] 時(shí)，3L8 輸出傳遞到引腳 7，活動(dòng)通道為 0 到 3L3，而其余通道的輸入被上拉至 1。當(dāng) [A1A0] = [01] 時(shí)，3L8 輸出通過(guò) 3L4 傳遞到引腳 13，當(dāng) [A1A0] = [10] 時(shí)，輸出通過(guò) 3L5 傳遞到引腳 15，當(dāng) [A1A0] = [11] 時(shí)，3L8 輸出通過(guò)兩個(gè)與門 2L3 和 2L2 傳遞到引腳 16。

圖 4：引腳 6 屬性

塊3L0、3L1和3L2用于構(gòu)建2位多路復(fù)用器電路;然后它選擇來(lái)自引腳 7、13、15、16 的一個(gè)輸入信號(hào)并將其傳遞到 NOR 門，稍后傳遞到引腳 3 (SDA)。引腳 4 和 5 被配置為連接到下拉電阻器的輸入，然后通道 0 在初始狀態(tài)下處于活動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)?[A0A1] = [00]。

MF1 和 MF2 是多功能塊，可配置為執(zhí)行多個(gè)功能。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，它們被用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間延遲，此外，用來(lái)制定或非門。每個(gè)計(jì)數(shù)器的“DLY IN”輸入連接到或非門輸出。

圖 5：MF1(多功能塊)配置

設(shè)計(jì)事件順序

當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)(不發(fā)送或接收)時(shí)，通信引腳連接到一個(gè)上拉電阻(高電平)，所有引腳根據(jù)傳遞到 OE 的信號(hào)處于輸入狀態(tài)。如果輸入之一接收到 LO 信號(hào)，則該信號(hào)將通過(guò) NOR 門傳播，從而在基于 A0A1 的適當(dāng) OE 處產(chǎn)生 HI 信號(hào)。這會(huì)將引腳配置為輸出并因此保持到 GND。如果輸入返回 HI，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間延遲以保持 OE 狀態(tài)，以考慮引腳需要從 LO 變?yōu)?HI(從輸入到輸出)的時(shí)間。

要繼續(xù)處理事件序列，請(qǐng)考慮以下示例：

初始狀態(tài)，總線上無(wú)通訊，[A1A0]=[00]。即所有引腳都是輸入，并且由于輸入的上拉電阻被激活，信號(hào) HI 從所有輸入傳遞到 IC。當(dāng)引腳 3 從主機(jī)接收到 LO 時(shí)，信號(hào)傳遞到 3L8，然后到 3 位 LUT3 和 3L3 輸出也為低電平，因?yàn)樾盘?hào)低電平到達(dá)引腳 7 的 OE，這使得引腳 7 的狀態(tài)從輸入變?yōu)檩敵觥O 信號(hào)通過(guò)總線 SDA0 傳播到外部設(shè)備。

當(dāng)主機(jī)釋放通信總線時(shí)，由于現(xiàn)有的上拉電阻，輸入變?yōu)?HI。然后 HI 傳遞到 3L8，后者反轉(zhuǎn)信號(hào)并將信號(hào)低電平傳遞到引腳 7 的 OE，從而導(dǎo)致引腳將其狀態(tài)從輸出更改為輸入。由于上拉電阻處于活動(dòng)狀態(tài)，HI 被傳遞到外部設(shè)備，并在下降沿應(yīng)用時(shí)間延遲，以便在接收新值之前為引腳提供足夠的時(shí)間來(lái)改變其 IO 狀態(tài)。

SCL 線路多路復(fù)用器

與 SDA 總線的多路復(fù)用器電路的設(shè)計(jì)一樣，SCL 總線的另一個(gè)多路復(fù)用器電路也采用相同的配置設(shè)計(jì)，其中引腳 6、17、18、19 和 20 被配置為作為數(shù)字輸入/輸出和內(nèi)部上拉電阻在引腳上被激活。因此，通過(guò)引腳 6 來(lái)自主機(jī)的信號(hào)將根據(jù) A1 和 A0 連接到引腳 17、18、19 和 20 之一。塊 3L11、3L12、3L13 和 2L0 用于構(gòu)建 2 位解復(fù)用器，而塊 4L0、3L6 和 2L1 用于構(gòu)建 2 位復(fù)用器，從而實(shí)現(xiàn)雙向通信。

圖 6：SCL 線路復(fù)用器設(shè)計(jì)

表 1：選擇輸入狀態(tài)

SLG46826 具有雙電源 V DD和 V DD2，這允許設(shè)計(jì)添加電平轉(zhuǎn)換作為多路復(fù)用器電路的另一個(gè)功能。引腳 3、6 和 7 由 V DD供電，而引腳13、15、16、17、18、19和 20 由 V DD2供電。因此，可以將此復(fù)用器電路用作通道 1、2、3 的電平轉(zhuǎn)換電路，而無(wú)需通道 0?？梢詮捻?xiàng)目信息中選擇所需的電壓(V DD和 V DD2)。

電平轉(zhuǎn)換功能

表 2：已實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用器的 GreenPAK 引腳圖

結(jié)果

為確保設(shè)計(jì)按預(yù)期工作，該設(shè)計(jì)置于真實(shí)場(chǎng)景中：控制四個(gè)屏幕 (I 2 C-LCD)，所有屏幕均具有相同的靜態(tài) I 2 C 地址。所有通信都來(lái)自一個(gè)主設(shè)備，在這種情況下，是一個(gè) Arduino 板。已經(jīng)為 Arduino 板編寫了一個(gè)程序，它可以作為主機(jī)運(yùn)行，并通過(guò) I 2 C 協(xié)議在每個(gè)屏幕上打印不同的短語(yǔ)。屏幕通過(guò) I 2 C 多路復(fù)用器電路和 Arduino 數(shù)字輸出在總線上互換，以控制 A0 和 A1。在每個(gè)打印指令之前，總線在屏幕之間多路復(fù)用。圖 7 描述了實(shí)施后的屏幕輸出。