【導(dǎo)讀】I2C信號(hào)需要上拉電阻的原因與其工作原理密切相關(guān)。I2C是一種開放漏極(open-drain)或開集電極(open-collector)的通信協(xié)議,這意味著驅(qū)動(dòng)器(主設(shè)備或從設(shè)備)只能將線拉低到低電平(邏輯0),但不能主動(dòng)將線拉高到高電平(邏輯1)。
I2C信號(hào)需要上拉電阻的原因與其工作原理密切相關(guān)。I2C是一種開放漏極(open-drain)或開集電極(open-collector)的通信協(xié)議,這意味著驅(qū)動(dòng)器(主設(shè)備或從設(shè)備)只能將線拉低到低電平(邏輯0),但不能主動(dòng)將線拉高到高電平(邏輯1)。
在I2C通信中,SDA(數(shù)據(jù)線)和SCL(時(shí)鐘線)在空閑狀態(tài)下都應(yīng)處于高電平。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要在總線的SDA和SCL線上添加上拉電阻。當(dāng)總線上的所有驅(qū)動(dòng)器都處于不工作狀態(tài)(高阻態(tài))時(shí),這些上拉電阻會(huì)將信號(hào)線拉升至電源電壓,確保線路保持高電平。
當(dāng)需要發(fā)送低電平信號(hào)時(shí),設(shè)備會(huì)通過將信號(hào)線連接到地,從而克服上拉電阻,使信號(hào)線達(dá)到低電平。當(dāng)設(shè)備不再驅(qū)動(dòng)線時(shí),信號(hào)線會(huì)再次被上拉電阻拉回到高電平。
具體而言,上拉電阻的作用包括以下幾個(gè)方面:
確保信號(hào)線在空閑時(shí)保持高電平:I2C總線在空閑時(shí)要求信號(hào)線為高電平狀態(tài),上拉電阻實(shí)現(xiàn)了這一功能。
防止浮空狀態(tài):沒有上拉電阻時(shí),SDA和SCL線在設(shè)備不驅(qū)動(dòng)時(shí)可能處于不確定的狀態(tài),上拉電阻可以防止這種浮空狀態(tài),確保信號(hào)線有明確的電平。
適應(yīng)多設(shè)備通信:I2C總線允許多個(gè)設(shè)備連接在同一條總線上,任何一個(gè)設(shè)備都可以驅(qū)動(dòng)總線。上拉電阻使得每個(gè)設(shè)備都可以在不工作時(shí)保持總線的高電平,確保通信的可靠性。
因此,上拉電阻是I2C總線正常工作和通信穩(wěn)定性的重要組成部分。
一些總線有輸出輸出接口,本質(zhì)就是OC或OD的接口。I2C(Inter Integrated Circuit,內(nèi)部集成電路)總線就是典型的OD輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,典型的I2C電路都有上拉電阻,如圖所示。
I2C接口的SCL與SDA都是OD輸出結(jié)構(gòu)輸出,這樣的好處是可以作為雙向數(shù)據(jù)總線。OC、OD電路往往是剛剛說的輸入輸出管腳,然而一些總線的I/O就是一些雙向數(shù)據(jù)的信號(hào),其實(shí)就是把輸入和輸出短接在一起,然后把輸出做成OC或OD。這樣處理不單用一根信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù),既可以輸出又可以輸入,同時(shí)解決了雙向數(shù)據(jù)如果同時(shí)發(fā)送帶來的數(shù)據(jù)沖突的問題。
一般來說,芯片的輸出管腳是推挽結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)芯片的推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳連接在一起,某一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)芯片同為輸出,一個(gè)如果輸出為高、一個(gè)輸出為低,則可能出現(xiàn)短路的現(xiàn)象,工作中稱為“總線沖突”,如圖所示。用OC、OD電路可以避免短路,所有絕大多數(shù)總線都是采用這種方式設(shè)計(jì),如I2C、LPC、PCI等總線的輸入輸出管腳都是這樣的管腳類型。當(dāng)然也有些總線方式,I/O端口不需要外接,是芯片內(nèi)置了上拉電阻。
I2C被設(shè)計(jì)成開放漏極(Open-Drain, OD)或開集電極(Open-Collector, OC)結(jié)構(gòu)的原因主要與總線的多主機(jī)、多從機(jī)通信架構(gòu)和信號(hào)線的共用特點(diǎn)有關(guān)。具體原因包括:
1. 支持多設(shè)備共用總線
I2C總線可以連接多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備,這就要求多個(gè)設(shè)備可以共享同一條SDA(數(shù)據(jù)線)和SCL(時(shí)鐘線)。如果信號(hào)線是由設(shè)備主動(dòng)驅(qū)動(dòng)到高電平或低電平(推挽結(jié)構(gòu)),則當(dāng)一個(gè)設(shè)備試圖驅(qū)動(dòng)信號(hào)線為高電平而另一個(gè)設(shè)備試圖驅(qū)動(dòng)信號(hào)線為低電平時(shí),會(huì)發(fā)生電平?jīng)_突,可能會(huì)導(dǎo)致短路或其他問題。
開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)允許多個(gè)設(shè)備將線拉低,而不會(huì)引起沖突。當(dāng)所有設(shè)備都不工作時(shí)(即處于高阻態(tài)),上拉電阻會(huì)將信號(hào)線拉回到高電平。這樣,多個(gè)設(shè)備可以安全地共用同一條I2C總線,而不會(huì)發(fā)生沖突。
2. 簡化多主機(jī)仲裁
I2C協(xié)議允許多個(gè)主設(shè)備共用同一總線。在多主設(shè)備嘗試同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的情況下,需要進(jìn)行仲裁。開放漏極/開集電極結(jié)構(gòu)使得這種仲裁變得簡單可行。
仲裁過程是通過監(jiān)視SDA線來完成的:每個(gè)主設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都監(jiān)視SDA線。如果一個(gè)主設(shè)備試圖發(fā)送高電平,但監(jiān)視到的是低電平(因?yàn)榱硪粋€(gè)設(shè)備在拉低SDA線),它就知道有另一個(gè)設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù),因此它將停止傳輸。這個(gè)過程使得仲裁成為可能,而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)沖突。
3. 簡化電路設(shè)計(jì)
使用開放漏極或開集電極的驅(qū)動(dòng)方式可以簡化電路設(shè)計(jì)。因?yàn)樵O(shè)備只需要一個(gè)下拉開關(guān)來控制信號(hào)線的電平(拉低到地),而不需要額外的電路來推動(dòng)信號(hào)線到高電平。這樣,電路更加簡單,也減少了功耗。
4. 適應(yīng)不同電壓的設(shè)備
I2C總線的開放漏極/開集電極結(jié)構(gòu)允許不同電壓的設(shè)備共用一條總線。例如,一個(gè)3.3V的設(shè)備和一個(gè)5V的設(shè)備可以通過上拉電阻連接到同一個(gè)I2C總線,并且上拉電阻可以選擇一個(gè)中間電壓(如3.3V或5V)來適應(yīng)不同電壓的設(shè)備。
總的來說,I2C采用開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)多設(shè)備安全共用總線、支持多主設(shè)備仲裁、簡化電路設(shè)計(jì)以及兼容不同電壓的設(shè)備。這些特性使得I2C在簡單的雙線通信協(xié)議中具有很大的優(yōu)勢。
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