1 I2C總線的工作原理及其特點(diǎn)

I2C 總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線，最早由Philips公司推出。它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCL(串行時(shí)鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件，不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤接口。串行擴(kuò)展總線有突出的優(yōu)點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序編寫方便，易于實(shí)現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等。

采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)某個(gè)器件向總線上發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當(dāng)其從總線上接收信息時(shí)，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動(dòng)總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定。在總線上，既沒有中心機(jī)，也沒有優(yōu)先機(jī)。

在I2C總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL時(shí)鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件,一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平,將使SCL線一直保持低電平,使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時(shí),低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀廟，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。

當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在 SCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘?？梢?，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長(zhǎng)的器件確定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。在I2C總線技術(shù)規(guī)范中，開始和結(jié)束信號(hào)的定義如圖2所示。當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號(hào)；當(dāng)SCL線為低電平時(shí)，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)?ldquo;結(jié)束”信號(hào)。

I2C總線還具有廣播呼叫地址用于尋址總線上所有器件的功能。若一個(gè)器件不需要廣播呼叫尋址中所提供的任何數(shù)據(jù)，則可以忽略該地址不作響應(yīng)。

I2C 總線具有多主控能力，可以對(duì)發(fā)生在SDA線上的總線競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當(dāng)多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線時(shí)，如果某個(gè)主器件發(fā)送高電平，而另一個(gè)主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時(shí)SDA總線電平不符的那個(gè)器件將自動(dòng)關(guān)閉其輸出級(jí)?？偩€競(jìng)爭(zhēng)的仲裁是在兩個(gè)層次上進(jìn)行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個(gè)從器件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競(jìng)爭(zhēng)仲裁的可靠性。

目前世界上采用的I2C總線有兩個(gè)規(guī)范，它們分別是由荷蘭 PHILIPS公司和日本SONY公司提出的?，F(xiàn)在廣泛采用的是PHILIPS公司的I2C總線技術(shù)規(guī)范，它已成為被電子行業(yè)認(rèn)可的總線標(biāo)準(zhǔn)。采用I2C 技術(shù)的單片機(jī)以及外圍器件已廣泛應(yīng)用于家用電器、通訊設(shè)備及各類電子產(chǎn)品中，而且應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣。

2 IC總線應(yīng)用下的EEPROH的測(cè)試方法

這里以常見的24LC02容量為2K的EEPROM芯片為例來詳細(xì)介紹該總線方式下工作的EEPROM測(cè)試方法。

2．1 24LC02芯片特點(diǎn)

24LC02是臺(tái)灣CERAMATE公司生產(chǎn)的容量為2Kbit的應(yīng)用于I2C總線工作方式的EEPROM芯片，其芯片管腳定義如圖3。

圖中，A0、A1、A3為片選端，因?yàn)镮2C總線最多可以掛接16Kbit的EEPROM，也就是說可以掛接8個(gè)24LC02芯片，其硬件地址就這三個(gè)片選端決定；WP是寫保護(hù)端，在發(fā)送Word Address之前起作用。

24LC02在寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候有兩種模式：Byte write和Page write，如圖4。

以TESTER作為Master對(duì)24LC02寫入數(shù)據(jù)，然后讀取其數(shù)據(jù)驗(yàn)證與寫入的數(shù)據(jù)是否一致。

對(duì)于24LC02的命令格式等細(xì)節(jié)，這里不再贅述，下面我們來看看24LC02的BLOCK DIAGRAM圖6。

由此可知，在Byte write模式下，一次可寫入8bit數(shù)據(jù)，而在Page write模式下一次可寫入8bytes的數(shù)據(jù)。

2．2 24LC02的測(cè)試

根據(jù)I2C總線工作方式，我們將其測(cè)試圖連接如圖5。

芯片中的Start／stop Logic單元處理Start／Stop信號(hào)，控制芯片是否開始工作；S1ave address register&comparator單元譯碼Master發(fā)送的Slave address，完成與片選信號(hào)的比較，并設(shè)定write／read模式；Wordaddress counter單元管理要寫入或讀取的地址，地址由xdec和ydec單元譯碼成行地址和列地址，24LC02的EEPROMArray分為64行×4列字節(jié)單元。

這里我們對(duì)于一些簡(jiǎn)單的電流測(cè)試不再討論，主要討論功能測(cè)試。

根據(jù)以上分析，我們提出如下測(cè)試方法：

對(duì)芯片寫入各種不同的字節(jié)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證讀取到的數(shù)據(jù)是否和寫入的一致：

(1)每個(gè)字節(jié)寫入隨機(jī)碼數(shù)據(jù)，這里隨機(jī)碼我們選擇00～FF，共256 bytes，讀取看與寫入的是否一致

如果該項(xiàng)測(cè)試通過，說明芯片基本上工作正常，但不能保證EEPROMArray(2Kbit)所有bit位都能正常寫入數(shù)據(jù)。

這里每個(gè)字節(jié)寫入00-FF保證了寫入每個(gè)word address的數(shù)據(jù)都不一樣，其目的是驗(yàn)證Word address counter、xdec、ydec等單元是否能正常工作。

假設(shè)我們這里每個(gè)字節(jié)寫入相同的數(shù)據(jù)(如00或FF等)，那么在這種情況下，要是Word address counter無法正常工作，那么我們寫入或讀取的可能是部分地址所指向的EEpromArray中的bit位，而且無法保證xdec和ydec能正常****行地址和列地址，譬如說我們對(duì)“10101010”word address所指向的字節(jié)寫入00，如果讀取“101010”這個(gè)地址數(shù)據(jù)時(shí)，Word address counter、xdec、ydec任意單元發(fā)生了錯(cuò)誤，那么最終我們讀取到的數(shù)據(jù)就不是“10101010”這個(gè)地址所指向的字節(jié)數(shù)據(jù)，也就是說因?yàn)槊總€(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是一樣的，所以即使寫入和讀取的地址發(fā)生了錯(cuò)位，我們也會(huì)認(rèn)為測(cè)試是通過的。

由此可見，要保證Word address counter、xdec、ydec等單元正常工作，我們寫入的數(shù)據(jù)必須滿足下列三個(gè)條件：

①寫入EEPROM Array的每一行數(shù)據(jù)不一樣(驗(yàn)證xdec單元)；

②寫入EEPROM Array的每一列數(shù)據(jù)不一樣(驗(yàn)證ydec單元)；

③寫入EEPROM Array的每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)不一樣(驗(yàn)證Word address counter單元)；

這就是我們選擇寫入00～FF的理由(當(dāng)然也可以選擇寫入其他數(shù)據(jù)，只要符合上述最后一個(gè)條件即可)。

(2)每個(gè)字節(jié)寫入數(shù)據(jù)00，讀取看是否與寫入的一致

通過上述第一項(xiàng)測(cè)試，其實(shí)已經(jīng)可以基本保證芯片各單元能正常工作，接下來只需測(cè)試驗(yàn)證EEPROM Array(2Kbit)中的每個(gè)bit位是否良好，這里寫入數(shù)據(jù)00，可排除EEPROM Array(2Kbit)中恒為“1”的bit位。

(3)每個(gè)字節(jié)寫入數(shù)據(jù)FF，讀取看是否與寫入的一致

可排除EEPROM Array(2Kbit)中恒為“0”的b“位。

(4)從00H地址開始寫入4個(gè)字節(jié)55，接著寫入4個(gè)字節(jié)AA，如此重復(fù)，直至寫滿256個(gè)字節(jié)，讀取看是否與寫入的一致。

EEPROM Array中相鄰bit位(包括行相鄰、列相鄰、對(duì)角線相鄰)會(huì)互相影響。

而24LC02的EEPROM Array分為4列×64行×8bit，所以我們寫入上述的數(shù)據(jù)使得每個(gè)相鄰bit位的數(shù)據(jù)都不一樣，經(jīng)過該項(xiàng)測(cè)試可排除相鄰bit位的數(shù)據(jù)竄擾。最好是再測(cè)試一下寫入4個(gè)字節(jié)AA，寫入4個(gè)字節(jié)55……，看讀取與寫入的是否一致。

到此我們完成了全部的功能測(cè)試。24LC02讀寫時(shí)有page write、byte write、random read、Sequentialread等各種工作模式以及writeprotect功能，這些測(cè)試都比較簡(jiǎn)單，這里就不再一一贅述了。

由此，我們概括出EEPROM的一般測(cè)試方法：

(1)每個(gè)字節(jié)寫入random code，讀取驗(yàn)證是否與寫入時(shí)一致，從而測(cè)試Word address counter、xdec、ydec等單元是否能正常工作；Random code需要滿足下面這個(gè)條件：寫入EEPROMArray的每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)不一樣。

(2)每個(gè)字節(jié)寫入數(shù)據(jù)00或FF，讀取驗(yàn)證是否與寫入時(shí)一致，排除EEPROM Array中恒“0”或恒“1”的bit位。

(3)對(duì)EEPROM Array寫入相鄰bit位(包括行相鄰、列相鄰、對(duì)角線相鄰)都不一樣的數(shù)據(jù)，讀取驗(yàn)證是否與寫入時(shí)一致，排除相鄰bit位的數(shù)據(jù)竄擾。