關于IIC總線測試的一些典型問題

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。