一、概述

在我們的各種硬件產品中，經常會用到IIC總線，IIC是一種兩線接口(Inter-Integrated Circuit)。它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便主板、嵌入式系統或手機與周邊設備組件之間的通訊。由于使用簡單，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列、顯示器、EEPROM、IOT等設備之間的通信。

圖1 IIC常用鏈路拓撲

IIC的主要特點如下：

只需要兩條總線，串行數據線(SDA)，串行時鐘線(SCL);

沒有嚴格的波特率要求，主設備生成總線時鐘;

所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址;

IIC是多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測;

SDA 線上的數據必須在時鐘的高電平周期保持穩定，數據線的高或低電平狀態只有在 SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變;

常用速率如下：普通模式：100kHz;快速模式：400kHz;高速模式：3.4MHz;

二、物理及協議層

2.1 硬件層

SDA和SCL都是雙向線路，都通過一個電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓，連接到總線的接口數量主要受總電容限制(一般小于400pF)，最大從機數理論上是127個;

由于SDA、SCL為漏極開路結構(OD)，因此它們必須接有上拉電阻,阻值的大小可以是 1k8、 4k7 、10k等，當總線空閑時，兩根線均為高電平;

圖2 IIC總線內部OD門

當主設備決定開始或結束通訊時，需要執行以下動作：

當 SCL 是高電平時

SDA 線由高電平向低電平切換當 SCL 是高電平時

SDA 線由低電平向高電平切換

通信開始條件通信停止條件

圖3 通信開始/停止條件IIC總線的數據有效性

IIC總線既不是上升沿采樣也不是下降沿采樣，而是高電平采樣;IIC 使用 SDA 信號線來傳輸數據，使用 SCL 信號線進行數據同步;

SDA在SCL的每個時鐘周期傳輸一位數據。SCL為高電平的時候SDA表示的數據有效，即此時的 SDA 為高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。

當 SCL為低電平時， SDA 的數據無效，一般在這個時候 SDA 進行電平切換，為下一次表示數據做好準備。

圖3 數據有效性

IIC總線的F/S模式器件的時序定義

在測試IIC總線的時候時序測試尤為重要，也是IIC信號完整性測試的主要模塊，很多情況下IIC通信問題都是時序不對導致的。IIC總線在快速模式和普通模式下的時序定義如下圖;

圖5 IIC總線在F/S模式時序定義

重復起始條件的建立時間(tSU;SAT)

起始條件的保持時間(tHD;SAT)

數據保持時間(tHD;DAT)

數據建立時間(tSU;DAT)

SDA和SCL信號的上升時間(tr)

SDA和SCL信號的下降時間(tf)

停止條件的建立時間(tSU;STO)

停止和啟動條件之間的總線空閑時間(tBUF)

測試信號時序時需要注意具體的波形卡點位置，卡點位置不對情況下會導致測出來的數據不是真正的實際數據;具體的卡點位置還要參考被測單板所使用的芯片規格書的要求，根據具體的datasheet要求來測試卡點，一般情況下這三種情況較多：【10%，90%】、【0.8V，2.0V】、【0.3VDD，0.7VDD】;

F/S模式IIC總線器件SDA和SCL總線時序標準

在標準模式和快速模式情況下，總線的時序標準是一致的，無論在哪種產品都要以如下標準來判定時序測試的通過與否。

圖6 F/S模式IIC總線器件SDA和SCL總線時序標準

IIC總線的數據傳輸格式(7位尋址)

IIC總線尋址方式分為7位尋址和10位尋址，因為目前我們硬件產品所用到的都是7位尋址方式，所以介紹一下7位尋址模式的數據傳輸格式。

圖7. 7位尋址方式數據傳輸格式

如上圖所示：在起始條件 S 后，主機發送了一個從機地址，這個地址共有 7 位;第8位是數據方向位 R/ W; 0 表示發送 (寫)， 1 表示請求數據 (讀);第9位為應答位(ACK)，應答位低電平有效;后面為數據傳輸，每一組數據對應一個應答位。

如果主機仍希望在總線上通訊，可以產生重復起始條件 Sr(restart)和尋址另一個從機或寄存器，而不是首先產生一個停止條件，在這種傳輸中，一個數據串中可能既包括讀也包括寫的格式。

圖8 帶重復起始條件的7位尋址方式數據傳輸格式

IIC總線器件SDA和SCL的I/O級的特性

1、使用非標準電源電壓(不遵從IIC 總線系統電平規定)的器件必須將輸入電平連接到有上拉電阻Rp 的 VDD 電壓;

2、 最大的 VIH=VDDmax+0.5V;

圖9 F/S 模式 IIC 總線器件 SDA 和 SCL I/O 級的特性

標準模式IIC總線器件電阻Rp和RS的最大和最小值

1. 電源電壓限制了電阻 Rp 的最小值 ，因為輸出級在 VOLmax=0.4V 時指定的最小下拉電流是 3mA ;

2. 低電平要求的 0.1VDD 噪聲容限限制了 RS 的最大值;

3. 總線規定的上升時間及電容的存在限制了 Rp 的最大值 ;

Rp：總線的上拉電阻值;

Rs：總線的串阻值;

圖10 IIC上拉和電源供電示意圖

最小上拉電阻vs電壓串阻vs上拉電阻

2.2 IIC總線固件工作過程

在通信之初，主從機必須根據自己的要求約定好通信規則：command的定義和位置、address的位數和位置。

以讀寫從機的寄存器數據為例：假設主機寄存器地址為8位、從機寄存器也為8位;約定讀寄存器的command為0x01，寫寄存器command為0x02;約定主機發起通信后，第一個slave address字節收到ack后，緊跟的一個字節為command，再下面一個字節為寄存器地址address

寫(主往從設備寫數據)

主機：發起通信，按約定依次寫入command、要寫入的從機寄存器地址address和要寫入的數據data;

從機：分別提取command、address和data，根據command做出判斷是讀還是寫，將data存入入與到接收的address對應的寄存器;

圖13 主設備往從設備寫數據格式

讀(主設備讀取從設備數據)

主機：先發起一次通信，將讀command(0x01)和需要讀取的寄存器地址address寫入總線;

從機：分別提取command和address提取;判讀command的定義;根據收到的address，將對應的寄存器數據放入從機的IIC輸出buffer;

主機：再次發起一次通信(restart)，讀取從機的數據;

主設備讀取從設備數據格式

restart讀取從設備數據格式

三、IIC總線測試分析

幾乎所有的iot產品、it產品、攝像機、服務器產品等在單板和整機通信中都會使用到IIC總線用于信息傳輸，所以對總線的可靠性、穩定性的要求也是非常高，測試的把關需嚴格要求。

IIC總線測試主要包括主機對從機的讀測試和寫測試、總線信號的信號質量測試和信號時序測試等。根據所使用的芯片不同，一般需要查找芯片規格書的參數，以制定不同的測試用例參數。

以下是關于IIC總線測試的一些典型問題。

波形畸變

White或Read時發現時鐘信號畸變，測試時鐘頻率約為367kHz。

測試發現SCL波形畸變

整改后SCL波形正常

原因分析：固件配置IIC傳輸速率錯誤，沒有按照要求的速率配置，實際速率與IC和硬件電路的參數不匹配，導致波形畸變。

時序問題

MCU和從機之間IIC的SCL上升時間為1.2us，指標要求1us以下。

SCL的上升時間超標

整改后SCL上升時間正常

原因分析：由于此鏈路的IIC總線的上拉電阻選用太大;導致了SCL的上升時間太大(上拉電阻太大還可能導致電平時間低于預期)。

時序問題

數據保持時間不符合要求，數據超前時鐘。

時鐘在SDA之外變化

整改后SCL在SDA內變化

原因分析：slave芯片部分批次存在固有缺陷，使用舊批次芯片問問題解決。

信號質量問題

測試發現IIC總線存在過沖現象，最大電壓能達到4.1V;超過芯片能承受的最大3.6V和最小-0.3V電壓。

SCL存在過沖現象

整改后SCL在標準內

原因分析：接收端信號震蕩導致，存在一定的信號反射導致scl存在尖峰波形超過標準。(注意：探頭接地線太長也會導致類似過沖現象)解決方案：接收端加一個22歐姆的電阻作為阻抗匹配，后效果明顯改善;

審核編輯：湯梓紅