Микросхемы с шиной i2c (2 видео)

Сайт содержит тексты редких методических пособий, лабораторных и контрольных работ. Вообщем, то что трудно найти в сети но очень нужно для подготовки к экзаменам, в частности на заочной форме обучения.

Содержание

Представители микросхем с интерфейсом I2C
ЭСППЗУ с последовательным доступом
РСА8581
knigechka
Вспомогательные микросхемы I2C
PCF8574
Шина I2C. Подробности аппаратной реализации
Дополнительная информация
Иногда небольшое усложнение – это хорошо
Открытый сток
Если у вас есть R, то у вас есть RC
Как выбрать номинал подтягивающих резисторов
Заключение
💥 Видео

Видео:Введение в шину I2CСкачать

Представители микросхем с интерфейсом I2C

Как показывает практика, далеко не все микросхемы возможно использовать в радиолюбительском творчестве. Например, достаточно трудно применять такие варианты, как микросхемы для телевизионных приемников, формирователи сигналов разверток, корректоры цветовых переходов, декодеры цветности, синтезаторы частоты для мобильных телефонов и т. д. Поэтому в рамках данной книги рассматриваются микросхемы, которые могут быть использованы преимущественно в домашней аудиоаппаратуре, такой, как, например, усилители низкой частоты, усилители мощности, радиоприемники. Что-то подойдет для создания несложных и полезных устройств на основе микроконтроллера — охранные системы, системы сбора информации, электронные частотомеры, фазометры, генераторы. При необходимости получить информацию по другим типам микросхем можно непосредственно с сайта фирмы Philips (http://www.semiconductors.philips.com). Следует отметить, что оригинальная документация требует перевода с английского языка, а значит, необходимо приложить некоторые усилия тем, кто английский знает плохо или вообще не знает. Но при определенном навыке глубоких знаний не требуется и смысл большинства слов становится ясным без перевода.

Итак, перейдем к рассмотрению микросхем.

Видео:Лекция 308. Шина I2CСкачать

ЭСППЗУ с последовательным доступом

Микросхемы ЭСППЗУ (электрически стираемые постоянно программируемые запоминающие устройства) с последовательным доступом появились на рынке сравнительно недавно, но тем не менее они прочно вошли в арсенал разработчика. Международная аббревиатура микросхем — EEPROM (electrically erasable PROM). Истори-

чески первыми появились, впрочем, микросхемы с параллельным доступом, когда каждый бит байта мог быть считан или записан по отдельной линии, а значит, одновременно с другими битами. Адрес хранения байта задавался также параллельным способом. То есть, к примеру, память 8-разрядных данных на 256 ячеек должна содержать 8 линий данных и 8 линий адреса данных. Достоинством памяти с параллельным доступом является достаточно малое время доступа — данные транслируются одновременно по всем линиям. Управлять такой памятью тоже очень просто, достаточно выставить адрес, и данные будут считаны (записаны).

Гораздо сложнее работать с последовательной памятью. Во-пер- вых, необходимо последовательно, бит за битом, передать адрес ячейки памяти, затем точно так же передать (или считать) данные. Очевидно, скорость обмена с такой памятью в десятки раз меньше, чем с памятью параллельной. Что и сдерживало появление такого вида памяти. Массовый выпуск последовательных EEPROM начался после того, как в составе малогабаритной техники появились несложные микроконтроллеры. В основном такая техника не критична к высокой производительности вычислительных устройств, к ней относится бытовая и управляющая аппаратура. Еще одно важное обстоятельство, расширяющее возможности применения последовательных микросхем ЭСППЗУ, — их достаточно низкая стоимость.

Следует отметить, что для доступа к данным последовательной памяти используются разные интерфейсы: I 2 C, Microwire, SPI, CBUS. Некоторые сведения относительно номенклатуры микросхем можно почерпнуть в литературе [2]. Мы коснемся только тех, которые имеют интерфейс I2C. Обратите внимание: ЭСППЗУ с интерфейсом I2C, выпускаемые разными фирмами (SGS-Thomson microelectronics, Philips, Microchip) и имеющими одно наименование (например, 24С01), могут немного отличаться по расположению выводов, способу задания slave-адреса, особенности внутренней организации, принципам защиты от записи и др. При проектировании конкретных устройств рекомендуется ориентироваться не только на наименование ЭСППЗУ, но также и поинтересоваться фирмой-производителем, получить оригинальную техническую документацию.

Примеры применения EEPROM с последовательным доступом рассмотрим по документации [10, 11], относящейся к микросхемам

РСА8581 (128 х 8 битов) и PCF85xx (256. 1024 х 8 битов), производимых Philips, а также по мануалам [12, 13], описывающим микросхемы 24LC16B (2048 х 8 битов) и 24LC32A (4096 х 8 битов) производства фирмы Microchip.

Видео:Микросхемы и программаторы, Шины I2C и SPIСкачать

РСА8581

Микросхема имеет два исполнения (без буквы «С» в окончании названия и с буквой), отличающихся по некоторым основным эксплуатационным характеристикам. Основные параметры микросхемы:

• питающее напряжение от 4,5 до 5,5 В (РСА8581) и от 2,5 до 6,0 В (РСА8581С);

• встроенный импульсный умножитель напряжения «зарядовый насос» для обеспечения режима записи (для программирования памяти нужно напряжение 12 В, в то время как микросхемы питаются пониженным напряжением);

• автоматическое стирание ранее записанной информации перед записью новой (режим automatic erase/write);

• ток потребления в дежурном режиме 10 мкА;

• задание slave-адреса с помощью трех внешних выводов (АО, А1.А2);

• автоматический инкремент адреса при обращении;

• минимально гарантированное число циклов записи — 10 000;

• минимально гарантируемое время сохранения записанной информации — 10 лет;

• бесконечно возможное число циклов чтения;

• рабочая температура окружающей среды от -25 до +85 °С;

• возможность использования на одной шине до 8 однотипных микросхем без дополнительных аппаратных средств переключения и расширения;

Читайте также: Износ шин из за развала

• максимальная частота SCL сигнала — 100 кГц (режим low-speed).

Микросхема выпускается в 8-выводном корпусе типа DIP8 или S08 (с планарными выводами). Расположение выводов приведено на рис. 3.1, а их назначение — в табл. 3.1.

Видео:Шина I2C.Скачать

knigechka

Видео:Установщик адресов Flash-i2cСкачать

Вспомогательные микросхемы I2C

Микросхемы, описываемые в этом подразделе, не имеют самостоятельной ценности и могут быть использованы как дополнительные, облегчающие разработку приборов и устройств. Таких микросхем, как показывает опыт изучения элементной базы, в номенклатуре 1

С фирмы Philips большинство. Из этого большого списка автором были выбраны три наименования: PCF8574 (интерфейсная микросхема), PCF8583 (часы/календарь), PCF8591 (АЦП/ЦАП). Интерес также представляет микросхема DS1621, выпускаемая фирмой Dallas Semiconductors, — электронный термометр.

Видео:MCP2515, контроллер CAN шины с интерфейсом SPIСкачать

PCF8574

Согласно документации [29], эта микросхема представляет собой remote 8-bit I/O expander for I2C bus, или 8-битовый интерфейс, совмещенный с интерфейсом I2C, предназначенный для трансляции данных. Проще говоря, микросхему эту можно использовать для преобразования данных, поступающих с шины I2C в 8-битовый параллельный код, или последовательно передавать код по шине. Зачем нужна такая микросхема? К примеру, в какой-либо конструкции необходимо использовать микроконтроллер, включив его как slave-уст-

ройство. Мы уже знаем, что аппаратная реализация I2C интерфейса ведомого устройства довольно сложна. А вот подключив к порту микроконтроллера микросхему PCF8574, можно просто и изящно решить данную проблему.

Традиционное предуведомление отражает наиболее привлекательные для разработчика свойства микросхемы:

• сохранение работоспособности при напряжении питания от 2,5 до 6 В;

• низкое потребление тока в ждущем режиме — 10 мкА;

• открытый сток вывода «прерывание» (interrupt);

• 8-битовый двунаправленный I/O порт;

• совместимость с большинством микроконтроллеров;

• высокая нагрузочная способность выходов, позволяющая непосредственно подключать светоизлучающие диоды;

• внешние 3 вывода slave-адреса, позволяющие подключить к шине I2C одновременно до 8 однотипных микросхем;

• корпус DIP 16 (SOT38-1) или S016 (SOT162-1).

Расположение выводов микросхемы приведено на рис. 3.55, назначение выводов — в табл. 3.35.

Таблица 3.35. Назначение выводов PCF8574

Квази-двунаправленный I/O порт 0

Квази-двунаправленный I/O порт 1

Квази-двунаправленный I/O порт 2

Квази-двунаправленный I/O порт 3

Квази-двунаправленный I/O порт 4

Квази-двунаправленный I/O порт 5

Квази-двунаправленный I/O порт 6

Квази-двунаправленный I/O порт 7

Вывод сигнала прерывания (LOW)

В чем состоит «изюминка» данной микросхемы? Как известно, прием и передача данных посредством стробирования не вызывает сложностей. Достаточно помещать данные в сдвиговый регистр, а потом осуществлять их движение подачей стробирующих импульсов. Все это так, но главная сложность работы с шиной I2C заключается в том, что затруднительно фиксировать условие Start, свидетельствующее об активизации шины. Если вы помните, в протоколе шины был оставлен служебный адрес 0000 0001, называемый «программный Start». Работать в условиях программного отслеживания Start-условия достаточно трудно и далеко не всегда оправданно, поэтому в состав микросхемы PCF8574 была введена «изюминка» в виде вывода генерации прерывания (interrupt, INT). Сигнал прерывания сообщит микроконтроллеру о начале активации шины. Таким образом, сторона микросхемы PCF8574, относящаяся к интерфейсу ГС, представляет собой обычное slave-усгройство (рис. 3.56).

Управляющая схема интерфейса параллельного ввода-вывода показана на рис. 3.57. Обратите внимание: интерфейсные выводы защищены от перегрузки диодами VD1 и VD2.

Поговорим теперь о программных способах работы с данной микросхемой. Традиционно начнем с определения slave-адреса (рис. 3.58).

Вам могут встретиться две разновидности микросхемы PCF8574 — с буквой «А» и без буквы. Отличаются они только четырьмя старшими битами slave-адреса. Таким образом, если на одной шине будет присутствовать 8 микросхем PCF8574 и 8 микросхем PCF8574A, конфликта это не вызовет. Биты А2. А0 задаются с помощью внешних выводов микросхем.

Запись в порт осуществляется по схеме, представленной на рис. 3.59. «Запись» в данном случае означает, что данные с шины I2C появятся на параллельном порте Р0. Р7.

Обратите внимание: данные появляются на выходе порта спустя время t после возникновения сигнала АСК (а также записи в порт). Микроконтроллер должен успеть считать предыдущие данные на линиях Р0. Р7 до появления следующего байта данных.

Чтение с порта происходит по схеме, показанной на рис. 3.60. Напоминаем, что микросхема по-прежнему остается в режиме slave-устройства, то есть сигнал SCL генерируется master-устрой- ством.

Чтение данных с порта происходит в момент появления сигнала АСК. В промежутках между сигналами АСК данные менять нет смысла, поскольку они будут потеряны.

Очень важный и, можно даже сказать, принципиальный момент связан с генерацией сигнала прерывания INT. Аппаратно сигнал INT реализован по принципу выходного каскада с открытым стоком, поэтому необходима «подтяжка» к напряжению питания через pull-up резистор, как показано на рис. 3.61. Выводы INT разных микросхем можно объединить и подать на вывод прерывания микроконтроллера.

кий, так и в обратном направлении. Возврат сигнала INT происходит после генерации сигнала АСК (рис. 3.62) следующим образом:

а) в режиме чтения — в момент положительного перепада сигнала SCL;

б) в режиме записи — в момент отрицательного перепада сигнала SCL.

Прерывания, которые происходят в течение импульса АСК, могут быть потеряны из-за очень короткой длительности импульса.

В табл. 3.36 приведены сведения, необходимые для разработчика.

Видео:Урок 24. Узнаём адреса устройств на шине I2CСкачать

Шина I2C. Подробности аппаратной реализации

Основная информация для понимания и проектирования аппаратного обеспечения, необходимого для шины I2C.

Видео:25 Шина I2CСкачать

Дополнительная информация

Видео:Шина данных i2c - декодируем/синхронизируем с помощью осциллографа Lecroy!Скачать

Иногда небольшое усложнение – это хорошо

Протокол I2C отличается некоторыми непростыми особенностями: вы не просто соединяете выводы нескольких микросхем вместе, а затем позволяете низкоуровневым аппаратным средствам брать управление на себя, пока вы читаете или записываете в соответствующий буфер, как это примерно происходит в случаях с SPI (последовательным периферийным интерфейсом) и UART (универсальным асинхронным приемником/передатчиком). Но сложность I2C небезосновательна; остальная часть данной статьи поможет вам понять несколько нюансов аппаратной реализации, которые делают I2C настолько универсальным и надежным вариантом для последовательной связи между несколькими независимыми микросхемами.

Видео:Логический анализатор шины i2cСкачать

Открытый сток

Определяющей особенностью I2C является то, что каждое устройство на шине, должно подключаться к линиям тактового сигнала (сокращенно SCL) и сигнала данных (сокращенно SDA) через выходные драйверы с открытым стоком (или открытым коллектором). Давайте посмотрим, что это на самом деле означает. Сначала рассмотрим типовой CMOS (инвертирующий) выходной каскад:

Если на входе присутствует высокий логический уровень, NMOS транзистор открыт, а PMOS транзистор закрыт. Таким образом, выход имеет низкоомное соединение с землей. Если на входе присутствует низкий логический уровень, ситуация меняется на противоположную, а выход имеет низкоомное соединение с V_DD. Это называется двухтактным выходным каскадом, хотя это название не особенно информативно, поскольку оно не подчеркивает низкое сопротивление соединений, которые управляют выходом. В общем случае вы не можете напрямую соединять два двухтактных выхода, поскольку ток будет свободно протекать от V_DD до земли, если на одном выходе выдается логическая единица, а на другом – логический ноль.

Теперь рассмотрим схему с открытым стоком:

PMOS транзистор был заменен резистором, внешним по отношению к микросхеме. Если на входе присутствует высокий логический уровень, NMOS транзистор обеспечивает низкоомное соединение с землей. Но если на вход подается низкий логический уровень, NMOS транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а это означает, что выход подтягивается к V_DD через внешний резистор. Такой механизм приводит к двум важным отличиям. Во-первых, появляется неочевидное рассеивание мощности, когда на выходе низкий логический уровень, поскольку ток протекает через резистор, через канал NMOS транзистора на землю (в двухтактной схеме этот ток блокируется высоким сопротивлением закрытого PMOS транзистора). Во-вторых, выходной сигнал ведет себя по-другому, когда на выходе высокий логический уровень, так как выход подключен к V_DD через гораздо более высокое сопротивление (обычно не менее 1 кОм). Эта особенность позволяет напрямую соединять два (и более) устройства с открытым стоком: даже если на одном из них низкий логический уровень, а на другом – высокий логический уровень, то подтягивающий резистор гарантирует, что ток не протекает свободно от V_DD на землю.

Некоторые последствия использования на шине схемы с открытым стоком:

Сигналы всегда по умолчанию находятся в состоянии логической единицы. Напримем, если ведущее устройство I2C пытается связаться с ведомым устройством, которое вдруг перестало функционировать, сигнал данных никогда не войдет в неопределенное состояние. Если ведомое устройство не управляет сигналом, то он будет считан как логическая единица. Аналогично, если ведущее устройство выключается в середине передачи, линии SCL и SDA вернутся в состояние логической единицы. Другие устройства могут определить, что шина доступна для новых передач, наблюдая, что и SCL, и SDA находятся в состоянии логической единицы в течении определенного периода времени.
Любое устройство на шине может безопасно приводить сигналы в состояние логического нуля, даже если другое устройство пытается привести их в состояние логической единицы. Это является основой функции «тактовой синхронизации» или «растяжки тактового сигнала» на шине I2C: ведущее устройство генерирует последовательность тактовых импульсов, но при необходимости ведомое устройство может удерживать линию SCL на низком уровне и тем самым уменьшать тактовую частоту.
Устройства с различными напряжениями питания могут сосуществовать на одной и той же шине, пока устройства с более низким напряжением не будут повреждены более высоким напряжением. Например, устройство 3,3 В может связываться с устройством 5 В, если SCL и SDA подтянуты до 5 В – схема с открытым стоком приводит к тому, что высокий логический уровень достигает напряжения 5 В, хотя устройство 3,3 В с типовым двухтактным каскадом не может управлять линией 5 В.

Видео:Передача данных - шина SPIСкачать

Если у вас есть R, то у вас есть RC

Выходной каскад с открытым стоком ни в коем случае не является стандартной схемой среди цифровых микросхем, и для этого есть причина: он обладает некоторыми существенными недостатками. Один из этих недостатков становится очевидным, когда мы напоминаем, что емкость есть везде. Изменение напряжения ограничено временем, необходимым для заряда или разряда емкости, связанной с определенным узлом. Проблема в том, что подтягивающие резисторы на линиях SCL и SDA ограничивают ток заряда; другими словами, мы имеем гораздо большее сопротивление в RC цепи, постоянная времени которой регулирует переход напряжения от логического низкого уровня в логическому высокому уровню.

Как показывают эти диаграммы, переход от низкого уровня к высокому будет происходить значительно медленнее, чем переход от высокого уровня к низкому, что приводит к классической «пилообразной» форме сигналов I2C:

Эти две осциллограммы показывают переход от низкого уровня к высокому и от высокого уровня к низкому для тактового сигнала шины I2C с подтягивающим резистором 1 кОм и минимальной емкостью (только два устройства на шине с короткими дорожками на печатной плате).

Видео:PT2257, Электронный регулятор громкости с шиной I2CСкачать

Как выбрать номинал подтягивающих резисторов

На этом этапе должно быть очевидно, что подтягивающее сопротивление накладывает ограничения на максимальную тактовую частоту конкретной шины I2C. На самом деле здесь оказывают влияние и сопротивление, и емкость, хотя емкость от нас мало зависит, потому что она определяется, главным образом, тем, сколько устройств подключено к шине, и характером соединений между этими устройствами. Это приводит к важному вопросу: «Какой выбрать номинал для подтягивающего резистора?». Компромисс между скоростью и рассеиваемой мощностью: более низкое сопротивление уменьшает постоянную времени RC цепи, но увеличивает величину тока, протекающего от V_DD на землю (через подтягивающий резистор), когда на SCL или SDA выставлен низкий логический уровень.

Официальная спецификация I2C (стр. 9) гласит, что напряжение не считается «логическим высоким уровнем», пока не достигнет 70% от V_DD. Вы можете вспомнить, что постоянная времени RC цепи говорит нам, сколько времени потребуется, чтобы напряжение достигло примерно 63% от конечного напряжения. Таким образом, для простоты будем считать, что R×C говорит нам, сколько времени потребуется, чтобы уровень сигнала вырос от напряжения, близкого к потенциалу земли, до уровня логической единицы.

Теперь, как найти емкость? «Простой» способ – это сборка всей системы и измерение емкости; по крайней мере, это, вероятно, проще, чем пытаться выполнить точный расчет, который учитывает каждый источник емкости – как отмечает рекомендация от Texas Instruments, «при обычном построении электрических схем формируется невообразимое количество конденсаторов». Если подход с измерением не подходит (как это часто бывает), вы можете выполнить приблизительную оценку, определив емкость вывода для каждого устройства на шине (здесь вам поможет техническое описание), а затем добавить 3 пФ на дюйм дорожки на печатной плате и 30 пФ на фут коаксиального кабеля (эти цифры взяты из той же рекомендации, стр. 3).

Предположим, что у нас емкость шины составляет 50 пФ, и мы хотим соответствовать спецификации «стандартного режима» I2C, в которой указано, что максимальное время нарастания составляет 1000 нс.

\[t_ =1000\ нс=\left(R\right)\left(50\ пФ\right)\ \ \Rightarrow\ \ R=20\ кОм\]

Таким образом, можно соответствовать требованиям спецификации с R_{подтягивающий} = 20 кОм : это значение также дает минимальное энергопотребление. Как насчет скорости? Предположим, вы хотите, чтобы длительность присутствия высокого логического уровня на линии синхронизации было, по крайней мере, в три раза больше времени нарастания.

Если 167 кГц не достаточно много, вы можете снизить сопротивление (за счет увеличения энергопотребления), пока не достигните желаемой тактовой частоты. (Фактически, «стандартный режим» ограничивает тактовую частоту до 100 кГц, но вы можете адаптировать эти спецификации под потребности вашей системы.)

Это грубые расчеты, но, честно говоря, вам не нужно беспокоиться о том, чтобы найти идеальное сопротивление. Этот общий подход может помочь вам поставить резистор разумного номинала, и вы всегда можете поменять резисторы, если что-то работает не так, как вы хотите.

Видео:Подключение нескольких устройств, датчиков по I2C (АйТуСи) шинеСкачать

Заключение

Если эта статья выполняет свою цель, то вы теперь хорошо знакомы с основными деталями, связанными с разработкой аппаратного обеспечения I2C. А реализацию программного обеспечения мы рассмотрим в отдельной статье.

источники:

https://fasad-adelante.ru/mikroshemy-s-shinoy-i2c