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、視頻設備所開發，如今則多在各種嵌入式系統中用于連接微控制器及其外圍設備。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數據線“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。
在嵌入式系統開發中應用I2C總線可有效縮減元器件面積、改善抗干擾能力及增強設計的兼容性。當然，在享受其設計便利性的同時，信號的復雜性也將提高系統調試的難度。
本文闡述了在實際開發中所遇到的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；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，RS232、I2C、SPI、CAN、USB等。
問題探討
項目設計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現USB器件功能。68013A是Cypress公司出產的一款高速USB器件，該芯片的參考設計是通過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。
設計中，為進一步減少器件面積、降低功耗，以及便于在后續進行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實現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數據手冊編程后，卻發現在通過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。
經依次驗證后發現以上各項均無問題，那么，只可能是在通信過程中發生了錯誤。但是，在參考手冊中卻沒有找到關于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據，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數據。
DS6104示波器具有I2C觸發及I2C解碼套件，為捕獲數據需設置如下：設置DS6104示波器觸發方式為“I2C”、觸發條件為“啟動”；設置觸發時鐘信源、數據信源及合適的觸發電平；打開I2C解碼并設置解碼閾值；設置示波器為單次觸發。設置完畢后，通過監測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數據頭，圖3所示為所得解碼數據。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數據。
通過與讀入DSP內存的固件數據（圖4）對比可知，圖中的“0xC2 0x47 。..”及后續數據才是真正的固件數據。因此，導致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數據至固件數據間的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”，無數據返回；讀地址“0x51”，返回“0xAD”；寫地址“0x51”，寫兩個字節“0x00”。
圖4：讀入DSP內存的68013A固件程序數據（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據以后，則模擬其通信過程僅需以下三步：設置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，下載固件時先發送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數據為“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、視頻設備所開發，如今則多在各種嵌入式系統中用于連接微控制器及其外圍設備。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數據線“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。
在嵌入式系統開發中應用I2C總線可有效縮減元器件面積、改善抗干擾能力及增強設計的兼容性。當然，在享受其設計便利性的同時，信號的復雜性也將提高系統調試的難度。
本文闡述了在實際開發中所遇到的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；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，RS232、I2C、SPI、CAN、USB等。
問題探討
項目設計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現USB器件功能。68013A是Cypress公司出產的一款高速USB器件，該芯片的參考設計是通過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。
設計中，為進一步減少器件面積、降低功耗，以及便于在后續進行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實現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數據手冊編程后，卻發現在通過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。
經依次驗證后發現以上各項均無問題，那么，只可能是在通信過程中發生了錯誤。但是，在參考手冊中卻沒有找到關于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據，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數據。
DS6104示波器具有I2C觸發及I2C解碼套件，為捕獲數據需設置如下：設置DS6104示波器觸發方式為“I2C”、觸發條件為“啟動”；設置觸發時鐘信源、數據信源及合適的觸發電平；打開I2C解碼并設置解碼閾值；設置示波器為單次觸發。設置完畢后，通過監測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數據頭，圖3所示為所得解碼數據。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數據。
通過與讀入DSP內存的固件數據（圖4）對比可知，圖中的“0xC2 0x47 。..”及后續數據才是真正的固件數據。因此，導致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數據至固件數據間的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”，無數據返回；讀地址“0x51”，返回“0xAD”；寫地址“0x51”，寫兩個字節“0x00”。
圖4：讀入DSP內存的68013A固件程序數據（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據以后，則模擬其通信過程僅需以下三步：設置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，下載固件時先發送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數據為“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通信數據頭展開。
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時鐘設置為400KHz（將地址7數據修改為“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來監測I2C的通信數據，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通信數據頻率變化。
至此，我們通過采用RIGOL推出的DS6104數字示波器，以可視化的方式實現了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間的常規通信通路。顯然，在后續調試中，DS6104數字示波器提供的串行總線觸發及解碼也將成為我們優先選擇的調試手段。
本文小結
I2C總線在嵌入式系統中得到了廣泛應用，在實際開發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試則不失為一種快捷、有效的方法。
嵌入式系統中應用了越來越多的總線，其開發和調試難度也在相應提高。RIGOL推出的DS6000系列示波器以其領先的指標、創新的技術及提供的多種總線觸發及解碼套件，可有效降低嵌入式總線調試難度，并極大提高調試效率。
作者：趙凈
應用工程師