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2022-02-17 00:23 已编辑华南理工大学硬件开发

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助力通关硬件开发基础面专刊<22/30>--第五章接口协议、基础元件、可靠性 ---I2C相关计算和存在的问题

5.1.4 I2C上拉电阻

【考点映射】

》》》I2C为什么需要上拉电阻？

》》》I2C的上拉电阻的值如何选取？

》》》I2C挂载设备限制的因素主要有哪些？

【出现频度】⭐⭐⭐

【难度】★★
【参考答案】

IIC需要上拉电阻的原因

由于I2C的SDA和SCL都是双向开漏口，开漏接口的输出不输出电平。

接地的时候输出低电平，输出高电平时为高阻态，所以需要外接上拉电阻，输出高电平的时候，输出上拉电阻的电源电压，

这种结构可以组成线与的逻辑，适用于数字电路的门电路。

因此，I2C的SDA和SCL必须要外接上拉电阻进行使用。

上拉电阻的最小值

I2C接口对灌电流有着限制，电阻过小，可能回导致低电平过大。电流限制如图所示。

快速模式和标准模式的灌电流不大于3mA

快速模式+及以上的模式不大于20mA

因此： $\operatorname{R_{p}}(\min )=(\operatorname{V_{DD}}-\operatorname{V_{OL}}(\max )) /I_{OL}$

VDD为上拉电阻的电源，VOL为低电平最高允许值0.4V

IOL为灌电流；

上拉电阻的最大值

I2C接口的高电平实现过程：VDD通过Rp对线上的负载电容Cb进行充电，接口的电平从低电平向高电平变化。

充电过程需要时间，如果上拉电阻Rp过大，上升沿过缓，会导致信号没有按时达到高电平，会使传输数据发生错误。

负载电容Cb是走线和引脚等寄生电容的总电容。这个会影响上升时间，限制Rp的最大值。如图所示。

Rp(max)为总电容的函数，同时也与上升时间tr有关。

因此： $R_{p(\max )}=\frac{t_{r}}{0.8473 \times C_{b}}$

0.8473的系数的由来是通过RC曲线得来的，这里我们定义当电压大于0.7VDD时为高电平，小于0.3VDD为电平，因此

$V(t 1)=0.3 \times V_{D D}=V_{D D}\left(1-e^{-t 1 / R C}\right) ;$ then $t 1=0.3566749 \times R C$
$V(t 2)=0.7 \times V_{D D}=V_{D D}\left(1-e^{-t 2 / R C}\right) ;$ then $t 2=1.2039729 \times R C$
$T=t 2-t 1=0.8473 \times R C$

I2C挂载设备限制

I2C挂载设备主要由两个因素决定

1、I2C的地址。假如I2C的地址为7位，则2^7=128，由于0X00地址不用，因此理论上可以挂载127个不同地址的从设备。
2、每个I2C从设备都存在寄生电容，其走线也存在寄生电容，电容回影响I2C的上升时间，总线上的等效电容容量不能超过400pF。

5.1.5 I2C存在哪些问题及改善

【考点映射】、

》》》IIC的使用过程中存在哪些问题

》》》怎么改善这些问题？

【出现频度】⭐⭐⭐

【难度】★★★
【参考答案】

I2C没有应答的情况

1、总线上没有从设备带有发送的地址，因此没有从设备响应应答。

2、目标从设备无法执行收发操作，因为它正在执行某些实时功能，并且尚未准备好与主设备进行通信。

3、主设备需要将传输结束的信号发送给从机。

I2C死锁

I2C通信有一定概率进入死锁，即SCL为高，SDA一直为低。

原因可能为：当主设备正在和从设备进行I2C通信，如果主设备打算发第9个时钟，此时SCL为高，

而从主设备开始拉低SDA（作为ACK信号），等待主设备SCL变低后，从再释放SDA为高。

如果此时正好主设备复位，主设备SCL还没来得及变低，直接变成高电平，此时从设备还在等待SCL变低，所以一直拉低SDA；

而主设备由于复位，发现SDA一直为低，也在等待从释放SDA为高。因此主从设备都进入一个相互等待的死锁状态。

解决死锁的方法

1、用GPIO口进行模拟I2C，则不会死锁（超时检测）

2、尽量选用带复位输入的I2C从器件

3、对I2C所有的从设备的供电进行管理，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。

4、在I2C从设备增加看门狗的功能。

5、在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序，主设备复位后，如果SDA为低，则让SCL产生时钟脉冲，使从设备挂起，进而从死锁中恢复过来。

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