i2c信号质量测试,信号完整性

   2023-12-17 21

SMbus 早是由 Intel 公司提出来的。现在由 SBS 管理维护这一个规格。 此规格是用 Philips 的 I2C 简化而来。 SMbus 是由两条信号线组成。用于在系统上较慢速的设备及电源管理设备之间的沟通使用。 以便系统取得这些设备的制造厂商,型号,一些控制信息,错误信息及状态。

  这两条信号线为 SMBCLK 和 SMBDATA. 这和 I2C 上的 Clock(SCL) 和 Data(SDA) 是一样的。

  SMbus:不同的设备都接在同一 Bus 上。在 SMbus 上只有一个 Master。所有的命令均由此 Master 发出。 其他的设备(Slave) 只能接收 Master 发出的命令或回复数据给Master。
  

  SMbus 开始及结束:当 SCL 为 High 而 SDA 由 High 变 Low 时表示开始一个 SMbus 的命令。当 SCL 为 High 而 SDA 由 Low 变 High 时表示结束一个 SMbus 的命令。这二种状态在 Smbus 里是的。在一般传送数据时均不可能发生。而一般传送的数据,则是在每一次 SCL 的上升缘时的 SDA 状态来决定。这些数据包含了仲裁,确认,发送数据给某个设备。或是要取得某个设备的信息.

  关于I2C Bus与SMBus,许多人很少去谈论与了解两者的细节差异,包括很多国外的简报文件也经常将两者混写、交杂描述、交替运用。

  确实,在一般运用下,I2C Bus与SMBus没有太大的差别,从实体接线上看也几乎无差异,甚至两者直接相连多半也能相安无误地正确互通并运作。不过若真要仔细探究,其实还是有诸多不同,如果电子设计工程师不能明辨两者的真实差异,那么在日后的开发设计的验证除错阶段时必然会产生困扰,为此本文将从各层面来说明I2C Bus与SMBus的细微区别,期望能为各位带来些许助益。

  附注:关於I2C Bus的基础,可参考笔者之前的「I2C介面之线路实务」,网址为: http://www.digitimes.com.tw/n/article.asp?id=30479 9064272FEDD68

  首先从规格的制订背景开始,I2C是在设计电视应用时所发创的介面,首版於1992年发表;而SMBus(System Management Bus)则是Intel与Duracell(金顶电池)共同制订笔记型电脑所用的智慧型电池(Smart Battery)时所发创的介面,首版於1995年发表,不过SMBus文件中也提及,SMBus确实是参考自I2C,并以I2C为基础所衍生成。

  I2C起源於电视设计,但之后朝通用路线发展,各种电子设计都有机会用到I2C;而SMBus则在之后为PC所制订的先进组态与电源管理介面(Advanced Configuration & Power Interface;ACPI)规范中成为基础的管理讯息传递介面、控制传递介面。

  虽然I2C与SMBus先后制订时间不同,但都在2000年左右进入成熟化改版,I2C的过程改版以加速为主要诉求,而SMBus以更切合Smart Battery及ACPI的需求为多。

  ▲图说:MAXIM公司的MAX6641晶片,具有温度监督及风扇控制功能(用PWM脉宽调变方式控制风扇转速),图中脚位7、8即是SMBus(圈处),其他装置可透过SMBus与此晶片沟通,取得温度及相关资讯,或进行命令操控。(图/MAXIM-IC.com) I2C的Hi/Lo逻辑准位有两种认定法:相对认定与认定,相对认定是依据Vdd的电压来决定,Hi为0.7 Vdd,Lo为0.3 Vdd,认定则与TTL准位认定相同,直接指定Hi/Li电压,Hi为3.0V,Lo为1.5V。相对的SMBus只有认定,且准位与I2C有异,Hi为2.1V,Lo为0.8V,与I2C不全然吻合但也算部分交集。不过,SMBus后来也增订一套更低电压的准位认定,Hi为1.4V,Lo为0.6V,这是为了让运用SMBus的装置能更省成本而有的作法。

  了解电压后再来是电流,由於SMBus一起头就是运用在笔记型电脑内,所以低用电的表现优於I2C,只需100uA就能维持工作,I2C却要到3mA,同样的低用电特性也反应在漏电流(Leakage Current)的要求上,I2C的漏电流为10uA,SMBus为1uA,但是1uA似乎过度严苛,使运用SMBus的装置在验证测试时耗费过多的成本与心力,因此之后的SMBus 1.1版放宽了漏电流上限,可至5uA。

  再者是相关限制,I2C有线路电容的限制,SMBus却没有,但也有相类似的配套规范,即是准位下拉时的电流限制,当SMBus的开集极接脚导通其闸极而使线路接地时,流经接地的电流不得高於350uA,另外拉升电流(即相同的开集极接脚开路时)也一样有规范,小不低於100uA,也是不破350uA。

  既然对电流有限制,那麼也可容易地推断对提升电阻的阻值之范围要求,I2C在5V Vdd时当大於1.6k ohm,在3V Vdd时当大於1k ohm,类似的SMBus於5V Vdd时当大於14k ohm,3V Vdd时当大於8.5k ohm,不过这个定义并非牢不可破,就一般实务而言,在SMBus上也可用2.4k?3.9k ohm范畴的阻值。

  附注:I2C的时脉线称SCK或SCL,资料线称SDA。SMBus的时脉线称SMBCLK,资料线称SMBDAT。

  ▲图说:I2C与SMBus在逻辑位准的电压定义不尽相同,基本上I2C的定义较为宽裕、弹性,而SMBus则更专注在省电方面的要求。(图/MAXIM-IC.com)

  时序差别与考验 实体层面的空间要求完后,再来就是实体层面的时间,即是时序(Timing)方面的差别。

  先以运作频率来说,I2C此方面相当宽裕,频可至0Hz(直流状态,等於时间暂停),高可至100kHz(Standard Mode)、400kHz(Fast Mode)、乃至3.4MHz(High Speed Mode),相对的SMBus就很拘限,慢不慢於10kHz,快不快於100kHz。很明显的,I2C与SMBus的交集运作频率即是10kHz?100kHz间。

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