探索PCA9665/PCA9665A：Fm+并行總線到I2C總線控制器的深度解析

在電子設計領域，總線控制器扮演著至關重要的角色，它能夠實現(xiàn)不同類型總線之間的通信，為系統(tǒng)的集成和擴展提供了強大的支持。今天，我們將深入探討NXP公司的PCA9665/PCA9665A Fm+并行總線到I2C總線控制器，詳細分析其特點、功能、應用場景以及使用過程中的注意事項。

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一、產(chǎn)品概述

PCA9665/PCA9665A作為一款高性能的總線控制器，主要用于連接標準并行總線微控制器/微處理器和串行I2C總線，實現(xiàn)兩者之間的雙向通信。它具備主模式和從模式兩種工作模式，既可以作為發(fā)送器，也可以作為接收器。通過字節(jié)或緩沖模式，結合中斷或輪詢握手方式，實現(xiàn)與I2C總線的高效通信。此外，該控制器還能自動控制I2C總線的特定序列、協(xié)議、仲裁和時序，無需外部定時元件，大大簡化了設計過程。

（一）突出特性

1. 高速傳輸：支持1 MHz的傳輸速度，能夠滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽眯枨蟆?/li>
2. 強大驅動：SCL/SDA引腳的驅動能力高達25 mA，確保信號的穩(wěn)定傳輸。
3. 大容量緩沖：配備68字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可緩存更多的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理效率。
4. 通用呼叫功能：支持I2C總線通用呼叫，方便系統(tǒng)進行全局控制。
5. 軟件復位：可通過并行總線進行軟件復位，方便系統(tǒng)進行故障恢復和初始化。
6. 寬電壓范圍：工作電源電壓范圍為2.3 V至3.6 V，具有較好的兼容性和靈活性。
7. 高耐壓I/O：I/O引腳具有5 V耐壓能力，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。
8. 多模式兼容：支持標準模式和快速模式I2C總線，并與SMBus兼容，可廣泛應用于各種系統(tǒng)中。
9. 靜電保護：ESD保護能力超過2000 V HBM和1000 V CDM，有效保護芯片免受靜電損傷。
10. 閂鎖保護：經(jīng)過JEDEC Standard JESD78測試，閂鎖電流超過100 mA，確保芯片在復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（二）封裝類型

PCA9665提供SO20、TSSOP20、HVQFN20三種封裝形式，而PCA9665A則采用TSSOP20封裝，用戶可以根據(jù)實際應用需求選擇合適的封裝。

二、功能詳解

（一）內(nèi)部振蕩器

PCA9665和PCA9665A內(nèi)部均集成了振蕩器，用于提供I2C總線的時序信號。PCA9665的典型振蕩器頻率為28.5 MHz，PCA9665A為32 MHz。當ENSIO位設置為‘1’后，振蕩器需要最多550 μs的啟動時間。

（二）寄存器配置

PCA9665/PCA9665A包含11個寄存器，用于配置設備的操作以及發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。其中，4個寄存器可直接訪問，7個寄存器需通過設置寄存器指針間接訪問。

1. 直接寄存器
   • 狀態(tài)寄存器（I2CSTA）：8位只讀寄存器，用于反映I2C總線的狀態(tài)。最低兩位始終為零，高六位包含狀態(tài)代碼，共有30種可能的狀態(tài)代碼。當I2CSTA為F8h時，表示處于空閑狀態(tài)，無串行中斷請求；其他值對應不同的定義狀態(tài)，進入這些狀態(tài)時會請求串行中斷。
   • 間接指針寄存器（INDPTR）：8位只寫寄存器，用于指向間接地址空間中的寄存器。通過設置該寄存器的值，可以選擇要訪問的間接寄存器。
   • I2C總線數(shù)據(jù)寄存器（I2CDAT）：8位讀寫寄存器，用于存儲要發(fā)送或剛剛接收的串行數(shù)據(jù)。在主模式下，還包含主設備要發(fā)送的從設備地址。
   • 控制寄存器（I2CCON）：8位讀寫寄存器，其中兩位受總線控制器硬件影響。SI位在請求串行中斷時置位，STO位在I2C總線上出現(xiàn)停止條件時清零。通過并行接口寫入該寄存器會自動清除SI位，觸發(fā)下一個時鐘脈沖。
   • 間接數(shù)據(jù)字段訪問寄存器（INDIRECT）：用于訪問間接地址空間中的寄存器。在讀寫之前，需要先將INDPTR寄存器設置為要訪問的間接寄存器的地址。
2. 間接寄存器
   • 字節(jié)計數(shù)寄存器（I2CCOUNT）：8位讀寫寄存器，用于記錄主/從緩沖接收器模式下已存儲的字節(jié)數(shù)，以及主/從緩沖發(fā)送器模式下要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。最高位為最后一個字節(jié)控制位，僅在主/從緩沖接收器模式下有效。
   • 自身地址寄存器（I2CADR）：8位讀寫寄存器，存儲微控制器的自身從設備地址。在主模式下，該寄存器內(nèi)容未被使用；在從模式下，高七位為自身從設備地址，最低位決定是否識別通用呼叫地址。
   • 時鐘速率寄存器（I2CSCLL和I2CSCLH）：8位讀寫寄存器，用于定義PCA9665/PCA9665A作為總線主設備時的數(shù)據(jù)速率。實際頻率由tHIGH、tLOW、tr、tf和td值決定，可通過公式 (f{SCL}=frac{1}{T{osc}(I2CSCLL + I2CSCLH)+t{r}+t{f}+tupu5pf5}) 計算，其中 (T{osc}) 為內(nèi)部振蕩器周期。
   • 超時寄存器（I2CTO）：8位讀寫寄存器，用于確定SCL允許保持低電平的最長時間。當超過該時間時，I2C總線狀態(tài)機將被復位，或PCA9665/PCA9665A將對I2C總線發(fā)起強制操作。
   • 并行軟件復位寄存器（I2CPRESET）：8位只寫寄存器，通過連續(xù)寫入兩個特定字節(jié)（A5h和5Ah）來實現(xiàn)軟件復位。如果寫入序列不符合要求，則復位操作將被中止。
   • I2C總線模式寄存器（I2CMODE）：8位讀寫寄存器，包含控制位，用于在主模式下選擇合適的時序參數(shù)（AC[1:0]）。根據(jù)AC[1:0]的值，可以選擇標準模式、快速模式、快速模式Plus或Turbo模式。

三、工作模式

（一）配置模式

PCA9665/PCA9665A支持字節(jié)模式和緩沖模式，可通過I2CCON寄存器中的MODE位進行選擇。

1. 字節(jié)模式：一次只能執(zhí)行一個特定命令，執(zhí)行完后更新狀態(tài)寄存器。命令可以是啟動、停止、字節(jié)寫入、字節(jié)讀取等。
2. 緩沖模式：可以在生成中斷和更新I2CSTA寄存器之前執(zhí)行多個指令。微控制器可以一次性請求多達68字節(jié)的傳輸序列，讓PCA9665/PCA9665A自動執(zhí)行，無需每次執(zhí)行單個命令時都訪問狀態(tài)寄存器和控制寄存器，提高了系統(tǒng)的運行效率。

（二）操作模式

PCA9665/PCA9665A共有四種操作模式，每種模式都可以在字節(jié)模式或緩沖模式下使用。

1. 主發(fā)送器模式：主設備向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)。在字節(jié)模式下，一次發(fā)送一個字節(jié)；在緩沖模式下，可以一次發(fā)送多個字節(jié)。
2. 主接收器模式：主設備從從設備接收數(shù)據(jù)。同樣，字節(jié)模式下一次接收一個字節(jié)，緩沖模式下可以一次接收多個字節(jié)。
3. 從接收器模式：從設備接收主設備發(fā)送的數(shù)據(jù)。
4. 從發(fā)送器模式：從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)。

四、特殊情況處理

（一）同時重復啟動條件

當兩個主設備同時生成重復啟動條件時，PCA9665/PCA9665A會檢測到總線上的重復啟動條件，并將其作為自己的啟動條件，繼續(xù)發(fā)送從設備地址。

（二）仲裁丟失后的處理

在主發(fā)送器和主接收器模式下，仲裁可能會丟失。當出現(xiàn)38h、68h和B0h狀態(tài)時，表示仲裁丟失。如果I2CCON寄存器中的STA標志被設置，當總線再次空閑時，將自動發(fā)送啟動條件（狀態(tài)08h），重新開始串行傳輸。

（三）強制訪問I2C總線

在某些情況下，可能會出現(xiàn)總線掛起的問題，例如不受控制的源產(chǎn)生多余的啟動信號或屏蔽停止條件。此時，如果STA標志被設置，且在合理時間內(nèi)未獲得總線訪問權限，PCA9665/PCA9665A可以進行強制訪問。當總線空閑時間達到超時時間時，會發(fā)送啟動條件。

（四）I2C總線阻塞

如果SCL或SDA被不受控制的源拉低，會導致I2C總線掛起。當SCL被拉低且持續(xù)時間等于超時值時，PCA9665/PCA9665A會判定為總線錯誤，并進行相應處理。如果SDA被拉低，PCA9665/PCA9665A會發(fā)送九個時鐘脈沖，然后發(fā)送停止條件。如果SDA被釋放，則發(fā)送正常啟動條件，繼續(xù)串行傳輸；否則，判定為總線錯誤，加載70h到I2CSTA，生成中斷信號，并釋放SCL和SDA線。

（五）總線錯誤

當START或STOP條件出現(xiàn)在格式幀的非法位置時，會發(fā)生總線錯誤。PCA9665/PCA9665A檢測到總線錯誤后，會釋放SDA和SCL線，設置中斷標志，并將狀態(tài)寄存器加載為00h。此時，微控制器必須發(fā)送外部硬件或軟件復位信號來重置PCA9665/PCA9665A。

五、應用場景

（一）添加I2C總線端口

對于沒有集成I2C總線端口的微控制器、微處理器、自定義ASIC、DSP等設備，PCA9665/PCA9665A可以將8位并行數(shù)據(jù)轉換為支持多主設備的I2C總線端口，實現(xiàn)與I2C總線或SMBus組件的接口。

（二）添加額外I2C總線端口

當設備已經(jīng)有一個I2C總線端口，但需要更多端口來連接更多的I2C總線或SMBus組件時，PCA9665/PCA9665A可以將8位并行數(shù)據(jù)轉換為額外的I2C總線端口。

（三）并行數(shù)據(jù)轉串行數(shù)據(jù)

作為從發(fā)送器，PCA9665/PCA9665A可以將8位并行數(shù)據(jù)轉換為兩線I2C總線數(shù)據(jù)流，避免在印刷電路板上鋪設大量的并行線路，簡化了電路設計。

六、注意事項

（一）電源管理

在電源上電時，PCA9665/PCA9665A會進行內(nèi)部上電復位，直到VDD達到VPOR。上電初始化階段需要550 μs，在此期間，禁止通過并行端口寫入數(shù)據(jù)，但可以讀取。

（二）復位操作

PCA9665/PCA9665A可以通過將RESET引腳拉低至少 (t_{w(rst)}) 或使用并行軟件復位序列進行復位。需要注意的是，復位操作只會重置內(nèi)部寄存器和控制邏輯，不會重新初始化內(nèi)部振蕩器。如果設備卡死且無法響應正常的復位信號，只能通過斷電再上電來恢復。

（三）I2CCOUNT寄存器

請求發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)應為1到68之間的值，否則將導致數(shù)據(jù)無法傳輸，并在寫入I2CCON寄存器后生成中斷。此時，I2CSTA狀態(tài)寄存器將加載FCh，表示請求加載到I2CCOUNT的值無效。

七、總結

PCA9665/PCA9665A Fm+并行總線到I2C總線控制器是一款功能強大、性能優(yōu)越的總線控制器，具有高速傳輸、大容量緩沖、多模式兼容等優(yōu)點，能夠滿足各種復雜的應用需求。在實際設計中，我們需要根據(jù)具體的應用場景，合理配置寄存器，選擇合適的工作模式，并注意處理各種特殊情況，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。希望本文能夠為電子工程師們在使用PCA9665/PCA9665A時提供有益的參考。