Дискретные компоненты решают загадку шины I2C

Торстен Симс из Toshiba Electronics Europe предлагает использовать дискретные оптические изоляторы для экономичной и гибкой передачи данных в промышленных приложениях.

Приложения с шиной I2C иногда требуют изоляции высокого напряжения для обеспечения безопасности и надежности. Межинтегральная шина I2C была представлена ​​в 1980-х годах для обеспечения связи между центральным процессором и периферийными устройствами для настройки, мониторинга и управления. Первоначально предназначенный для связи на уровне платы на небольшом расстоянии, его успех привел к увеличению числа приложений, а максимальные возможности обработки данных расширились и теперь включают стандартный режим 100 кГц, быстрый режим плюс 1 МГц и сверхбыстрый режим плюс 5 МГц.

Стандарт определяет двухпроводное соединение, включающее двунаправленные линии передачи данных и тактовой частоты, которое может быть реализовано экономически эффективно. Простота и эффективность I2C привели к тому, что основные принципы связи воплощены в таких стандартах, как SMBbus и PMBus.

Шина I2C обычно имеет один контроллер, например MCU или SoC, и одно или несколько целевых устройств. Контроллер имеет входы/выходы с открытым коллектором, которые могут понижать уровень последовательной передачи данных (SDA) и тактовой частоты (SCL) и требуют подтягивающего резистора, который позволяет нескольким контроллерам и целевым устройствам сосуществовать, не вызывая конфликтов на шине.

Контроллер использует линию SDA для выбора цели, к которой необходимо обратиться, и регистра для доступа к этой цели. Цель возвращает запрошенные данные по линии SDA. Цели также используют линию SDA для подтверждения правильного приема запроса (ACK), удерживая SDA на низком уровне, или для отказа в правильном приеме (NACK), позволяя SDA поднять высокий уровень.

Линия SCL контролирует скорость передачи данных по шине. Этот сигнал обычно является однонаправленным, хотя цель может получить больше времени для ответа на запрос, если это необходимо, удерживая уровни SCL и SDA на низком уровне при генерации ACK. Это известно как растяжение часов.

По мере роста популярности I2C его использование распространилось на ситуации, требующие больших расстояний связи. В таких ситуациях довольно часто различия в локальном потенциале земли между подключенными устройствами влияют на запас по шуму системы. Кроме того, могут быть превышены критические параметры устройства, такие как максимальное отрицательное напряжение ввода-вывода.

I2C также используется для связи между цепями, которые не могут иметь общую опорную точку заземления, такими как промышленная автоматизация и приводы, элементы управления двигателями, микроинверторы солнечных панелей и медицинские системы, которые требуют защитной изоляции между сигналами управления I2C и питанием от сети переменного тока.

В таких ситуациях требуются удобные средства изоляции соединений I2C, и доступны встроенные цифровые изоляционные микросхемы, которые реализуют всю схему изоляции в одном устройстве. Несмотря на простоту использования, они могут быть дорогими и оставлять пользователя без эквивалентов или второго источника для защиты от проблем в цепочке поставок.

Изолированное соединение можно построить с использованием стандартных оптопар, однако здесь необходимо учитывать некоторые сложности. Одним из них является двунаправленная природа линий SDA и SCL, поскольку оптопары обычно являются однонаправленными. Кроме того, выбранные устройства должны иметь выходы с открытым коллектором, чтобы обеспечить надлежащее управление шиной.

Они также должны быть в состоянии удовлетворить требования синхронизации спецификации I2C. Одним из аспектов является ответ ACK/NACK цели контроллеру. Сигнал ACK/NACK должен быть действительным после времени установки (tVD; ACK), составляющего от 3,45 мкс в стандартном режиме (100 кГц) до 0,45 мкс в быстром режиме плюс работа (1 МГц). Существуют также временные ограничения для настройки данных. Цель должна установить сигнал SDA в течение 250 нс после спада предыдущего тактового бита в стандартном режиме (согласно Таблице 11 I2C Спецификация 1) и через 50 нс для быстрого режима плюс.

На рисунке 1 показано, как две пары оптопар могут быть вставлены в линии SDA и SDL, чтобы обеспечить изоляцию и сохранить двунаправленную связь.

Пути SDA и SCL схемы работают одинаково. Концентрируясь на пути SDA, резистор R1 подтягивает сигнал SDA от неизолированной стороны (NIS) к источнику питания, а R8 подтягивает SDA на изолированной стороне (IS). Значения сопротивления зависят от используемого напряжения питания, емкостной нагрузки, воспринимаемой контроллером или объектом, а также выходных характеристик оптоизолятора. Глава 7.1 спецификации I2C определяет максимальные и минимальные значения: