1  前言

　　隨著IT技術(shù)對電源技術(shù)的滲透，數(shù)字電源技術(shù)應(yīng)運而生，由于數(shù)字電源的控制靈活、結(jié)構(gòu)變化靈活、調(diào)節(jié)、維護(hù)方便和造價低的一系列優(yōu)點，代表了電源技術(shù)的發(fā)展方向。而在數(shù)字電源中，總線技術(shù)發(fā)揮了很重要的作用，本文結(jié)合數(shù)字電源中常用的總線技術(shù)加以介紹。

　　2  I2C總線

　　I2C總線是英文“Inter Integrated Circuit Bus”的縮寫，常譯為“集成電路間總線”或“內(nèi)部集成電路總線”。I2C總線以它強大的控制能力和精巧的電路結(jié)構(gòu)，得到各生產(chǎn)廠家的認(rèn)可。目前，I2C總線在許多電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

　　I2C總線接口的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)最早在1982年確定。Philips公司將I2C總線以簡單雙線接口的形式首先推出，用于在同一塊電路板或機柜中的有關(guān)電子部件之間實現(xiàn)通信，1987年P(guān)hilips公司擁有了I2C總線的專利。在I2C中有兩條信號線，一條用于時鐘信號的傳輸，一條用于數(shù)據(jù)信號的傳輸，通過I2C總線，可以在主控部件和從控部件之間完成有關(guān)命令、控制和工作信息通過兩條串行信號線來傳輸。I2C總線的最典型應(yīng)用就是通過一個主控部件來完成有關(guān)部件之間的通信控制。由于I2C總線的使用簡單性，所以目前I2C總線得到了廣泛的應(yīng)用，I2C總線的有關(guān)性能不斷得到提高，通信速率和尋址范圍也在不斷提升。

　　作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，I2C總線作為一種很有吸引力的物理通信方式，在ACCES bus、SM Bus、PSMI和IPMI工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線中，I2C總線的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)也被引用。I2C總線可以應(yīng)用于許多的微控制器，并且在許多應(yīng)用場合，利用通用的I/O引腳，通過軟件也可以驅(qū)動I2C總線。例如，在1991年，由一些公司牽頭開發(fā)了ACCESS bus(存取總線，簡稱A.b)，這里利用了I2C總線作為它的物理通信層，從而使ACCESS bus具有使能被控器件的能力，ACCESS bus被用作是一種改進(jìn)的、簡化的、規(guī)范的和靈活多用的方法來連接計算機的內(nèi)部，外部器件到CPU，它支持像時鐘和電池電能監(jiān)控等器件的工作，并且也支持鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器和調(diào)制解調(diào)器的工作。在1995年，ACCESS bus工作組（ABIG）發(fā)布了V3.0技術(shù)文件版本，一些公司（例如：USAR和日本Fujitsu公司都參加到了ABIG的活動中，并在智能電池系統(tǒng)接口論壇Smart Battery system Interface Forum：SBS-IF）中積極參與工作。

　　2.1 關(guān)于I2C總線

　　I2C總線是串行總線系統(tǒng)，I2C總線由兩根線組成，一根是串行數(shù)據(jù)線，常用SDA表示；另一根是串行時鐘線，常用SCL表示。CPU利用串行時鐘線發(fā)出時鐘信號，用串行數(shù)據(jù)線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對被控電路的調(diào)整與控制。由于I2C總線只有兩根信號線，因此數(shù)據(jù)的傳輸方式是串行方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度低于并行數(shù)據(jù)傳輸方式，但I(xiàn)2C總線占用CPU的引腳很少，只有兩個，有利于簡化CPU的外圍線路。

　　在I2C總線系統(tǒng)中，CPU是核心，I2C總線由CPU電路引出，其他被控對象均掛接在I2C總線上，I2C總線系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

 
　                           圖1 I2C總線系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.2 I2C總線接口電路

　　I2C總線上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，如果I2C總線上掛接的被控集成電路為模擬電路，為便于與被控模擬電路通信，在被控對象中需要增加I2C總線接口電路，受控IC中I2C總線接口電路工作原理圖如圖2所示。接口電路一般由I2C控制器和控制開關(guān)等電路組成。由CPU送來的數(shù)據(jù)信息經(jīng)譯碼器譯碼后控制信號才能對被控IC執(zhí)行控制操作。被控對象通過I2C總線接口電路接收由CPU發(fā)出的控制指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CPU對被控對象的控制。

　　I2C總線是雙向總線系統(tǒng)，通過I2C總線CPU可以向被控IC發(fā)送數(shù)據(jù)，被控IC也可通過I2C總線向CPU傳送數(shù)據(jù)，但被控IC是接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)則由CPU控制。由于I2C總線是雙向總線系統(tǒng)，因此CPU可以對I2C總線上掛接的有關(guān)電路進(jìn)行故障檢查。

　　對生產(chǎn)自動化調(diào)整功能的電器，可將生產(chǎn)線上的計算機與電器的I2C總線相連，根據(jù)電器不同調(diào)整項目的預(yù)置功能和要求，將最佳調(diào)整數(shù)據(jù)傳送到電器的E2PROM存儲器中，也可將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)固化在CPU的只讀存儲器中。采用I2C總線的電器節(jié)省了很多可調(diào)電位器，簡化了調(diào)整工藝，產(chǎn)品的一致性好，工作可靠性高。

　　                         圖2 I2C總線系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.3 I2C總線系統(tǒng)的功能

　　以CPU為核心的I2C總線系統(tǒng)，主要用完成以下幾個功能。

　?、庞脩舨僮鞴δ?/span>

　　用戶在使用電器時，通常要進(jìn)行有關(guān)控制參量的調(diào)節(jié)、控制等操作，操作時只需按動本機鍵盤或遙控器鍵盤上的相應(yīng)按鍵，CPU便通過I2C總線向被控電路發(fā)出有關(guān)控制指令。

　　⑵維修調(diào)整功能

　　完成對被控電器各單元電路進(jìn)行工作方式設(shè)定和調(diào)整的控制功能。在普通電器中，是利用可調(diào)電位器進(jìn)行有關(guān)單元電路的各種工作參數(shù)調(diào)整。而在I2C總線的被控電器中，這些參數(shù)都可由操作人員進(jìn)行專門的調(diào)整狀態(tài)后，通過遙控器或本機操作鍵來完成有關(guān)工作參數(shù)的調(diào)整。

　　⑶故障自檢功能

　　由于I2C總線上的信息是由SDA和SCL兩線串行數(shù)據(jù)信號線雙向傳輸?shù)?，因此CPU可以對I2C總線的通信情況和被控集成電路的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并在屏幕上顯示檢測結(jié)果，為維修人員提供有關(guān)故障自檢信息。被控器送來的低電平應(yīng)答信號，CPU就會判斷該被控器有故障，并終止數(shù)據(jù)傳送。由于各被控集成電路和器件均有自己的地址，所以，在總線上不同時間傳送著眾多的控制信號，但各被控器只要把與自己地址相同的控制信號從總線上取下來，并進(jìn)行識別和處理，得到相應(yīng)的控制信號，就可以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　2.4 I2C總線系統(tǒng)的控制過程

　?、臗PU與存儲器之間的數(shù)據(jù)交換

　　I2C總線系統(tǒng)中的存儲器存儲有兩種信息：一是用戶信息，是用戶寫入的控制信息，此信息用戶可以更改，如各種模擬控制量（例如電源的OVP、OCP、OTP和所需輸出電壓值等）；另一種是控制信息，是由廠家寫入的控制數(shù)據(jù)，此信息用戶不能改變。電器正常工作時，CPU從存儲器中取出有關(guān)用戶信息和控制信息，并送往被控電路使其處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)調(diào)整電器時，CPU也從存儲器中取出控制信息，檢修人員使用正確的調(diào)試步驟來改變這些控制信息，以確保采用I2C總線的電器處于最佳工作狀態(tài)。

　?、艭PU對被控電器的控制過程

　　CPU對采用I2C總線的被控電器控制需經(jīng)過以下過程。

　?、貱PU尋址過程。當(dāng)CPU要對某被控器進(jìn)行控制時，CPU將向總線發(fā)出該被控器的地址指令，被控器收到指令后，便發(fā)出應(yīng)答信息，CPU總線收到應(yīng)答信息后，就將該被控器作為控制對象。

　　②CPU調(diào)用數(shù)據(jù)過程。CPU找到被控器后，就從存儲器中調(diào)出相應(yīng)的用戶信息及控制信息，并通過I2C總線送到被控器，使被控器處于所要求的工作狀態(tài)。

　　③被控器執(zhí)行指令的過程。被控器接收到指令后，便對指令進(jìn)行譯碼，并將譯碼的結(jié)果與自己的控制內(nèi)容編碼進(jìn)行比較，以確定進(jìn)行何種操作，這項工作是由總線接口電路中的譯碼器來完成的。確定進(jìn)行何種操作后，總線接口電路中的相應(yīng)控制開關(guān)便自動接通，控制數(shù)據(jù)經(jīng)過控制開關(guān)送到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓，用以控制相應(yīng)的模擬電路，完成有關(guān)操作。I2C總線數(shù)據(jù)傳送最繁忙的時刻是在采用I2C總線電路的剛開機一瞬間，由于被控電路沒有存儲數(shù)據(jù)的功能，因此，每次開機時CPU都要從存儲器中取出控制數(shù)據(jù)，送往各被控器，使被控器進(jìn)人相應(yīng)的工作狀態(tài)。因此，剛開機時CPU的控制任務(wù)最繁重，控制過程最復(fù)雜，損壞的可能性也就最大，所以使用I2C總線的電器應(yīng)盡量避免頻繁開/關(guān)機。

　　根據(jù)電器功能的強弱以及在I2C總線上掛接的被控電路的不同，在I2C總線采用的CPU上可引出一組或多組I2C總線。

　　由I2C總線控制的集成電路或器件必須具有專用的總線端子，即SDA端子與SCL端子。凡是具有SDA、SCL端子（引腳）的集成電路或器件，均可以由總線控制。

　　2.5 I2C總線信號的傳輸方式

　　I2C總線中的兩根信號線（SDA、SCL）在傳輸各種控制信號的過程中是有嚴(yán)格分工的。其中，SDA數(shù)據(jù)線用來傳輸各控制信號的數(shù)據(jù)及這些數(shù)據(jù)占有的地址等內(nèi)容；SCL時鐘線用來控制器件與被控器件之間的工作節(jié)拍。為保證總線輸出電路得到供電，SDA線和SCL線均通過上拉電阻和電源連接，當(dāng)總線空閑時，SDA和SCL兩線均保持高電平。I2C總線控制信號傳輸波形如圖3所示。

　　                         圖3 I2C總線控制信號傳輸波形

　　（1）時鐘線控制信號

　　SCL線為高電平期間，SDA線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，在此期間，控制器件與被控制器件之間可以交換數(shù)據(jù)；SCL線為低電平期間，SDA線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以變化，即允許數(shù)據(jù)線上電平高低跳變。

　?。?）數(shù)據(jù)線控制信號

　　數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)目刂菩盘?，均按圖3所示的內(nèi)容和順序先后傳輸：起始狀態(tài)信號、被控電路地址、讀寫方式（數(shù)據(jù)傳輸方向位）、應(yīng)答信號、數(shù)據(jù)信號、應(yīng)答信號、數(shù)據(jù)信號、應(yīng)答信號、終止?fàn)顟B(tài)信號。

　　在時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線上一個電平由高到低的跳變規(guī)定為起始狀態(tài)，電平由低到高的跳變規(guī)定為終止?fàn)顟B(tài)，起始狀態(tài)信號和終止?fàn)顟B(tài)信號均由CPU發(fā)出。當(dāng)CPU發(fā)出起始狀態(tài)信號后，總線即處于占用狀態(tài)；當(dāng)CPU發(fā)出終止?fàn)顟B(tài)信號后，總線又處于空閑狀態(tài)。在SDA線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其字節(jié)為8位。前7位是被控電路的地址，第8位是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛭唬?ldquo;0”表示由CPU發(fā)送數(shù)據(jù)，“1”表示CPU接收數(shù)據(jù)。每傳輸一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，跟著一位應(yīng)答（確認(rèn)）信號，這個應(yīng)答信號是由CPU發(fā)出的，在應(yīng)答位時鐘期間，CPU釋放數(shù)據(jù)線，以便被控器在這一位上送出應(yīng)答信號。

　　當(dāng)被控器的數(shù)據(jù)接收無誤時，被控器發(fā)出低電平應(yīng)答信號，經(jīng)確認(rèn)后的數(shù)據(jù)才有效。當(dāng)數(shù)據(jù)被確認(rèn)后，CPU便可以繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)并繼續(xù)對數(shù)據(jù)加以確認(rèn)，直到CPU發(fā)出終止?fàn)顟B(tài)信號為止。若在應(yīng)答位時鐘期間，CPU未接收到被控器送來的低電平應(yīng)答信號，CPU就會判斷該被控器有故障，并終止數(shù)據(jù)傳送。由于各被控集成電路和器件均有自己的地址，所以，在總線上不同時間傳送著眾多的控制信號，但是各被控器只要把與自己的地址相同的控制信號從總線上取下來，并進(jìn)行識別和處理，得到相應(yīng)的控制信號，就可以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

　　2.6  I2C總線系統(tǒng)與外部電路的連接方式

　　I2C總線系統(tǒng)的外部電路結(jié)構(gòu)簡單，它與被控電路之間的連接方式有直接式和隔離式兩種。

　?。?）直接式I2C總線

　　直接式I2C總線是指被控集成電路直接或通過電阻掛在I2C總線上，其電路工作原理圖如圖4所示。因為CPU的I2C總線輸出端口內(nèi)部電路形式為集電極開路（或漏極開路）形式，所以在CPU的I2C總線輸出端必須通過上拉電阻R接+5V電源，為CPU的I2C總線輸出端口的內(nèi)部電路供電。圖4中的電阻R為隔離電阻，C為抗干擾電容，主要是為了提高I2C總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，防止誤動作進(jìn)人維修狀態(tài)和防止由于外部干擾信號改變I2C總線數(shù)據(jù)。穩(wěn)壓管VS是為了防止外部高電壓損壞CPU的I2C總線輸出端的內(nèi)部電路。

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　                             　圖4 直接式I2C總線工作原理圖

　　（2）隔離式I2C總線

　　隔離式I2C總線是指CPU引出的總線通過隔離器與被控集成電路相連接。隔離器一般由晶體管組成，其電路工作原理圖如圖5所示。這種電路的優(yōu)點是CPU與被控集成電路被晶體管隔離器隔離開，當(dāng)被控對象發(fā)生故障使I2C總線上電壓升高時，晶體管會截止，從而保護(hù)CPU不被高電壓沖擊而損壞。

　                           　圖5 隔離式I2C總線工作原理圖

　　2.7  I2C總線系統(tǒng)與外部電路的有關(guān)引腳

　?。?）CPU與I2C有關(guān)的引腳

　　采用I2C的CPU除了設(shè)置SCL串行時鐘線引腳和SDA串行數(shù)據(jù)線引腳外，一般還設(shè)置了便于工廠生產(chǎn)線調(diào)試使用的I2C通/關(guān)閉控制引腳。當(dāng)CPU的I2C通/關(guān)閉控制引腳接規(guī)定電平時，CPU便將I2C總線的控制權(quán)交給了生產(chǎn)線調(diào)試計算機，此時CPU不能通過I2C所掛接的電路進(jìn)行控制。

　　在電路圖上，I2C通/關(guān)閉控制引腳常用Bus OFF（總線關(guān)閉）、Service（維修）、EXT BUS（外部總線）、TEST（測試）、FACTORY（工廠）來表示。圖6所示為I2C通/斷控制工作原理圖。例如CPU的第36引腳EXT BUS為I2C通/關(guān)閉控制端，正常工作時，CPU的第36引腳為高電平。接插件BC為生產(chǎn)調(diào)試時CPU的I2C外部計算機的連接插口，生產(chǎn)調(diào)試時，生產(chǎn)線計算機通過BC與此CPU相連，BC④引腳接地，使CPU的第36引腳EXT BUS變?yōu)榈碗娖?，CPU的I2C總線42、43引腳停止輸出。電器的I2C系統(tǒng)由外部計算機接管。

　                          　圖6 I2C通/斷開控制工作原理圖

　　在對具有I2C功能的CPU進(jìn)行檢查時，不要忘記檢測I2C通/關(guān)閉控制引腳。如果此引腳工作條件不正確，則CPU不能向I2C發(fā)出時鐘和數(shù)據(jù)信號，導(dǎo)致整個電器不能進(jìn)人正常工作狀態(tài)。

　?。?）被控電路與I2C有關(guān)引腳

　　I2C掛接的被控集成電路，除SCL和SDA引腳外，還有與I2C總線接口電路有關(guān)的其他引腳，如果這些引腳的工作條件發(fā)生變化，也會使I2C總線接口電路不正常工作，從而使電器出現(xiàn)故障。下面介紹幾個比較重要的與I2C總線接口電路有關(guān)的引腳。

　　①I2C總線接口電路專用電源引腳（受控IC數(shù)字電路電源引腳）

　　掛接在I2C總線上的受控集成電路大多屬于模擬電路，而受控集成電路中的I2C總線接口電路則屬于數(shù)字電路。為避免數(shù)字電路與模擬電路之間的互相干擾，常為數(shù)字電路與模擬電路設(shè)置單獨的供電端子，即設(shè)置I2C總線接口電路專用電源端子（或數(shù)字電路電源引腳）。如果I2C總線接口電源端子沒有電壓，則這塊集成電路不能正常工作。

　　現(xiàn)在的集成電路常為不同功能的電路單獨設(shè)置電源和接地端子，因此除了注意檢查主電源引腳電壓外，千萬不要忘記檢查其他電源引腳。

　　集成電路數(shù)字電源端電壓一般為5V、3.5V或3V等低電壓。數(shù)字電路電源端子常用以下方式標(biāo)注：I2LVCC邏輯電路電源；DVCC數(shù)字電路電源；DVDD數(shù)字電路電源；DIGVDD數(shù)字電路電源；D.GND數(shù)字電路地線等。

　　②輔助地址選擇引腳

　　CPU通過I2C總線對被控電路的地址進(jìn)行選擇，有時為了擴(kuò)展I2C總線的功能和電路上的要求，在有些被控電路上還設(shè)有輔助地址選擇引腳，只有對輔助地址選擇引腳進(jìn)行正確的設(shè)置后，CPU才能通過I2C總線對這一電路進(jìn)行控制。當(dāng)被控電路的輔助地址選擇引腳電路出觀故障時，將會造成I2C總線無法控制該電路，使整機電路功能不正常。在電路圖上，輔助地址選擇引腳常用ADDRESS（地址）、ADR（address地址）、ADDSEL（address selection地址選擇）、MAD（module address組件地址）等英文表示。