1 I2C總線的工作原理及其特點

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)地址識別每個器件，不管是單片機、存儲器、LCD驅(qū)動器還是鍵盤接口。串行擴展總線有突出的優(yōu)點，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫方便，易于實現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標準化等。

采用I2C總線標準的單片機或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獨立的模塊，通過軟件尋址實現(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。

當某個器件向總線上發(fā)送信息時，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當其從總線上接收信息時，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。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，也沒有優(yōu)先機。

在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時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,一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平,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,低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀廟，于是這些器件將進入高電平等待的狀態(tài)。

當所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，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開始它們的高電平期。其后，第一個結(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)生一個同步時鐘。可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。在I2C總線技術規(guī)范中，開始和結(jié)束信號的定義如圖2所示。當時鐘線SCL為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號；當SCL線為低電平時，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)?ldquo;結(jié)束”信號。

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。

I2C 總線具有多主控能力，可以對發(fā)生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級?？偩€競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。

目前世界上采用的I2C總線有兩個規(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總線技術規(guī)范，它已成為被電子行業(yè)認可的總線標準。采用I2C 技術的單片機以及外圍器件已廣泛應用于家用電器、通訊設備及各類電子產(chǎn)品中，而且應用范圍將會越來越廣。

2 IC總線應用下的EEPROH的測試方法

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

2．1 24LC02芯片特點

24LC02是臺灣CERAMATE公司生產(chǎn)的容量為2Kbit的應用于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，因為I2C總線最多可以掛接16Kbit的EEPROM，也就是說可以掛接8個24LC02芯片，其硬件地址就這三個片選端決定；WP是寫保護端，在發(fā)送Word Address之前起作用。

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

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

對于24LC02的命令格式等細節(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的測試

根據(jù)I2C總線工作方式，我們將其測試圖連接如圖5。

芯片中的Start／stop Logic單元處理Start／Stop信號，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，完成與片選信號的比較，并設定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。

這里我們對于一些簡單的電流測試不再討論，主要討論功能測試。

根據(jù)以上分析，我們提出如下測試方法：

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

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

如果該項測試通過，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)。

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

假設我們這里每個字節(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“10101010”word address所指向的字節(jié)寫入00，如果讀取“101010”這個地址數(shù)據(jù)時，Word address counter、xdec、ydec任意單元發(fā)生了錯誤，那么最終我們讀取到的數(shù)據(jù)就不是“10101010”這個地址所指向的字節(jié)數(shù)據(jù)，也就是說因為每個字節(jié)數(shù)據(jù)是一樣的，所以即使寫入和讀取的地址發(fā)生了錯位，我們也會認為測試是通過的。

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)必須滿足下列三個條件：

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

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

③寫入EEPROM Array的每一個字節(jié)數(shù)據(jù)不一樣(驗證Word address counter單元)；

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

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

通過上述第一項測試，其實已經(jīng)可以基本保證芯片各單元能正常工作，接下來只需測試驗證EEPROM Array(2Kbit)中的每個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個字節(jié)55，接著寫入4個字節(jié)AA，如此重復，直至寫滿256個字節(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、對角線相鄰)會互相影響。

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)使得每個相鄰bit位的數(shù)據(jù)都不一樣，經(jīng)過該項測試可排除相鄰bit位的數(shù)據(jù)竄擾。最好是再測試一下寫入4個字節(jié)AA，寫入4個字節(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試。24LC02讀寫時有page write、byte write、random read、Sequentialread等各種工作模式以及writeprotect功能，這些測試都比較簡單，這里就不再一一贅述了。

由此，我們概括出EEPROM的一般測試方法：

(1)每個字節(jié)寫入random code，讀取驗證是否與寫入時一致，從而測試Word address counter、xdec、ydec等單元是否能正常工作；Random code需要滿足下面這個條件：寫入EEPROMArray的每一個字節(jié)數(shù)據(jù)不一樣。

(2)每個字節(jié)寫入數(shù)據(jù)00或FF，讀取驗證是否與寫入時一致，排除EEPROM Array中恒“0”或恒“1”的bit位。

(3)對EEPROM Array寫入相鄰bit位(包括行相鄰、列相鄰、對角線相鄰)都不一樣的數(shù)據(jù)，讀取驗證是否與寫入時一致，排除相鄰bit位的數(shù)據(jù)竄擾。