I2C總線是PHLIPS公司上世紀80年代推出的一種兩線式串行總線,，最初為音頻、視頻設(shè)備所開發(fā),，如今則多在各種嵌入式系統(tǒng)中用于連接微控制器及其外圍設(shè)備,。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數(shù)據(jù)線“SDA”，一根為串行時鐘線“SCL”）,，而傳輸速率在高速模式下可達3.4Mbit/s,，并且是多主總線,。每一個掛接在I2C總線上的I2C器件均可通過唯一的地址進行訪問,。
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用I2C總線可有效縮減元器件面積,、改善抗干擾能力及增強設(shè)計的兼容性。當然,，在享受其設(shè)計便利性的同時,，信號的復(fù)雜性也將提高系統(tǒng)調(diào)試的難度。
本文闡述了在實際開發(fā)中所遇到的I2C通信問題及使用示波器分析問題和解決問題的方法,。
分析過程中采用了RIGOL公司最新推出的DS6104示波器,，其具體特性包括：高達1GHz帶寬，足以滿足常用標準總線的帶寬需求,；5GSa/s實時采樣率,，確保不會遺漏信號細節(jié)；每秒18萬次的波形捕獲率,，最大概率捕獲感興趣的信號,；標配140M深存儲，同時滿足總覽全局和觀察局部的需求,；可錄制多達18萬幀的波形，奇異信號隨意回放和分析,；提供多種串行觸發(fā),，RS232、I2C,、SPI,、CAN、USB等,。
問題探討
項目設(shè)計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現(xiàn)USB器件功能,。68013A是Cypress公司出產(chǎn)的一款高速USB器件，該芯片的參考設(shè)計是通過I2C總線讀取存儲在EEPROM中的固件程序來運行的,，如圖1所示,。
圖1：Cypress 68013A與EEPROM連接示意圖,。
設(shè)計中，為進一步減少器件面積,、降低功耗,，以及便于在后續(xù)進行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信,。同時,，通過I2C總線在線下載固件至68013A并運行來完成，如圖2所示,。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊編程后,，卻發(fā)現(xiàn)在通過DSP模擬EEPROM與68013A通信時無法正確下載固件程序，即DSP怎樣通過I2C總線下載固件至68013A,？
圖2：Cypress 68013A與DSP連接示意圖,。
解決方法
首先，需要確認通信環(huán)境無問題,，即：總線連接無問題,；DSP的I2C通信程序無問題；Cypress 68013A的I2C通信無問題,。
經(jīng)依次驗證后發(fā)現(xiàn)以上各項均無問題,，那么，只可能是在通信過程中發(fā)生了錯誤,。但是,，在參考手冊中卻沒有找到關(guān)于68013A與EEPROM通信的詳細描述。為獲取兩者間在初始通信階段的詳細數(shù)據(jù),，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數(shù)據(jù),。
DS6104示波器具有I2C觸發(fā)及I2C解碼套件，為捕獲數(shù)據(jù)需設(shè)置如下：設(shè)置DS6104示波器觸發(fā)方式為“I2C”,、觸發(fā)條件為“啟動”,；設(shè)置觸發(fā)時鐘信源、數(shù)據(jù)信源及合適的觸發(fā)電平,；打開I2C解碼并設(shè)置解碼閾值,；設(shè)置示波器為單次觸發(fā)。設(shè)置完畢后,，通過監(jiān)測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數(shù)據(jù)頭,，圖3所示為所得解碼數(shù)據(jù)。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數(shù)據(jù),。
通過與讀入DSP內(nèi)存的固件數(shù)據(jù)（圖4）對比可知,，圖中的“0xC2 0x47 。..”及后續(xù)數(shù)據(jù)才是真正的固件數(shù)據(jù)。因此,，導(dǎo)致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數(shù)據(jù)至固件數(shù)據(jù)間的I2C通信（后文將稱其為握手通信）,。使用DS6104的水平時基微調(diào)功能將圖中波形展開之后，便可更清楚地看到握手通信過程（圖5）,，其描述如下：讀地址“0x50”,，無數(shù)據(jù)返回；讀地址“0x51”,，返回“0xAD”,；寫地址“0x51”，寫兩個字節(jié)“0x00”,。
圖4：讀入DSP內(nèi)存的68013A固件程序數(shù)據(jù)（部分）,。
至此，問題得以簡化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信,？通過示波器獲取可視化握手通信數(shù)據(jù)以后,，則模擬其通信過程僅需以下三步：設(shè)置DSP的I2C總線地址為“0x51”，與地址“0x50”不匹配則無返回,；在DSP的I2C通信程序中,，下載固件時先發(fā)送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數(shù)據(jù)為“0xAD”,；DSP通過I2C下載固件時,，可以接收“0x00”但不進行處理，保證握手通信的完整性,。
I2C總線是PHLIPS公司上世紀80年代推出的一種兩線式串行總線,，最初為音頻、視頻設(shè)備所開發(fā),，如今則多在各種嵌入式系統(tǒng)中用于連接微控制器及其外圍設(shè)備,。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數(shù)據(jù)線“SDA”，一根為串行時鐘線“SCL”）,，而傳輸速率在高速模式下可達3.4Mbit/s,，并且是多主總線。每一個掛接在I2C總線上的I2C器件均可通過唯一的地址進行訪問,。
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用I2C總線可有效縮減元器件面積,、改善抗干擾能力及增強設(shè)計的兼容性。當然,，在享受其設(shè)計便利性的同時,，信號的復(fù)雜性也將提高系統(tǒng)調(diào)試的難度,。
本文闡述了在實際開發(fā)中所遇到的I2C通信問題及使用示波器分析問題和解決問題的方法,。
分析過程中采用了RIGOL公司最新推出的DS6104示波器，其具體特性包括：高達1GHz帶寬,，足以滿足常用標準總線的帶寬需求,；5GSa/s實時采樣率,，確保不會遺漏信號細節(jié)；每秒18萬次的波形捕獲率,，最大概率捕獲感興趣的信號,；標配140M深存儲，同時滿足總覽全局和觀察局部的需求,；可錄制多達18萬幀的波形,，奇異信號隨意回放和分析；提供多種串行觸發(fā),，RS232,、I2C、SPI,、CAN,、USB等。
問題探討
項目設(shè)計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現(xiàn)USB器件功能,。68013A是Cypress公司出產(chǎn)的一款高速USB器件,，該芯片的參考設(shè)計是通過I2C總線讀取存儲在EEPROM中的固件程序來運行的，如圖1所示,。
圖1：Cypress 68013A與EEPROM連接示意圖,。
設(shè)計中，為進一步減少器件面積,、降低功耗,，以及便于在后續(xù)進行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信,。同時,，通過I2C總線在線下載固件至68013A并運行來完成，如圖2所示,。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊編程后,，卻發(fā)現(xiàn)在通過DSP模擬EEPROM與68013A通信時無法正確下載固件程序，即DSP怎樣通過I2C總線下載固件至68013A,？
圖2：Cypress 68013A與DSP連接示意圖,。
解決方法
首先，需要確認通信環(huán)境無問題,，即：總線連接無問題,；DSP的I2C通信程序無問題；Cypress 68013A的I2C通信無問題,。
經(jīng)依次驗證后發(fā)現(xiàn)以上各項均無問題,，那么，只可能是在通信過程中發(fā)生了錯誤。但是,，在參考手冊中卻沒有找到關(guān)于68013A與EEPROM通信的詳細描述,。為獲取兩者間在初始通信階段的詳細數(shù)據(jù)，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數(shù)據(jù),。
DS6104示波器具有I2C觸發(fā)及I2C解碼套件,，為捕獲數(shù)據(jù)需設(shè)置如下：設(shè)置DS6104示波器觸發(fā)方式為“I2C”、觸發(fā)條件為“啟動”,；設(shè)置觸發(fā)時鐘信源,、數(shù)據(jù)信源及合適的觸發(fā)電平；打開I2C解碼并設(shè)置解碼閾值,；設(shè)置示波器為單次觸發(fā),。設(shè)置完畢后，通過監(jiān)測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數(shù)據(jù)頭,，圖3所示為所得解碼數(shù)據(jù),。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數(shù)據(jù)。
通過與讀入DSP內(nèi)存的固件數(shù)據(jù)（圖4）對比可知,，圖中的“0xC2 0x47 ,。..”及后續(xù)數(shù)據(jù)才是真正的固件數(shù)據(jù)。因此,，導(dǎo)致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數(shù)據(jù)至固件數(shù)據(jù)間的I2C通信（后文將稱其為握手通信）,。使用DS6104的水平時基微調(diào)功能將圖中波形展開之后，便可更清楚地看到握手通信過程（圖5）,，其描述如下：讀地址“0x50”,，無數(shù)據(jù)返回；讀地址“0x51”,，返回“0xAD”,；寫地址“0x51”，寫兩個字節(jié)“0x00”,。
圖4：讀入DSP內(nèi)存的68013A固件程序數(shù)據(jù)（部分）,。
至此，問題得以簡化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信,？通過示波器獲取可視化握手通信數(shù)據(jù)以后,，則模擬其通信過程僅需以下三步：設(shè)置DSP的I2C總線地址為“0x51”，與地址“0x50”不匹配則無返回,；在DSP的I2C通信程序中,，下載固件時先發(fā)送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數(shù)據(jù)為“0xAD”,；DSP通過I2C下載固件時,，可以接收“0x00”但不進行處理,，保證握手通信的完整性。
如上所述,，在DSP的I2C通信程序中包含此部分握手通信處理后，使用DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A便可進行正常通信,，并可成功地下載68013A固件,。
圖5：Cypress 68013A與EEPROM I2C通信數(shù)據(jù)頭展開。
Cypress 68013A支持直接在固件中修改配置字（如圖6所示,，地址7）,，從而可在固件下載完畢后配置啟動類型。
圖6：Cypress 68013A ‘C2 Load’格式,。
我們按照圖7所示的Cypress文檔提供的寄存器配置格式,，配置固件為啟動時斷開USB連接，并將I2C時鐘設(shè)置為400KHz（將地址7數(shù)據(jù)修改為“0x41”）,。
圖7：Cypress 68013A固件配置字格式,。
同樣，在下載固件時可以通過使用DS6104來監(jiān)測I2C的通信數(shù)據(jù),，并且可以明顯看到時鐘頻率的變化,，如圖8所示。
圖8：固件配置字為“0x41”時的I2C通信數(shù)據(jù)頻率變化,。
至此,，我們通過采用RIGOL推出的DS6104數(shù)字示波器，以可視化的方式實現(xiàn)了DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A通信和下載固件的功能,。同時,，在固件下載過程中，我們觀測到在固件中配置的I2C通信頻率可即時生效,。
在實際項目中,，我們還使用I2C作為DSP與68013A間的常規(guī)通信通路。顯然,，在后續(xù)調(diào)試中,，DS6104數(shù)字示波器提供的串行總線觸發(fā)及解碼也將成為我們優(yōu)先選擇的調(diào)試手段。
本文小結(jié)
I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,，在實際開發(fā)中不免碰到缺少文檔資料的情況,，此時，如本文所述采用示波器調(diào)試則不失為一種快捷,、有效的方法,。
嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用了越來越多的總線，其開發(fā)和調(diào)試難度也在相應(yīng)提高,。RIGOL推出的DS6000系列示波器以其領(lǐng)先的指標,、創(chuàng)新的技術(shù)及提供的多種總線觸發(fā)及解碼套件,，可有效降低嵌入式總線調(diào)試難度，并極大提高調(diào)試效率,。
作者：趙凈
應(yīng)用工程師