. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na izolovanou I2C sběrnici
6. března 2013 - 9:29 | Pandatron | Jak na izolovanou I2C sběrnici | Komentářů: 1  

Jak na izolovanou I2C sběrnici

Aplikační poznámka popisující fyzické rozhraní komunikační sběrnice I2C a možnost její izolace prostřednictvím běžných optočlenů a obvodů iCoupler.

Inter-Integrated Circuit - I2C je obousměrná dvou-drátová sběrnice, používaná pro spojení nízkou rychlostí na krátkou vzdálenost, prakticky téměř výhradně mezi integrovanými obvody v rámci jediného zařízení. Navržena byla firmou Philips již v roce 1980, pro komunikaci mezi integrovanými obvody na společné desce v televizním přijímači. Dnes je I2C sběrnice využívána stále více na komunikaci mezi různými deskami, nástavbami, přístavbami a kontrolními zařízeními, překonávajícími původní omezení maximální povolené kapacitní zátěže 400pF.

Často je však v aplikacích, jako jsou například blade servery nebo digitálně řízené výkonové měniče, vyžadována vzájemná izolace připojených prvků systému. To je především z důvodu možnosti bezproblémového vyjímání/vkládání rozšiřujících karet za chodu, nebo i z prostých bezpečnostních důvodů. Nicméně, oddělení I2C sběrnice je komplikováno skutečností, že se jedná o obousměrnou komunikaci a není tak možné použít prosté zařazení optočlenu do cesty jednotlivých signálů.

Uvedená aplikační poznámka firmy Analog Devices představuje stručnou charakteristiku I2C sběrnice (se zaměřením na fyzickou vrstvu) a dále popisuje možnosti izolace pomocí iCoupler obvodů.

I2C sběrnice:
Rozhraní I2C sběrnice je definováno pomocí The I2C-Bus Specification, Version 2.1, January 2000 (NXP Semiconductors). Toto rozhraní sestává ze dvou vodičů: SDA (sériová data) a SCL (sériové hodiny). Tyto vodiče přenášejí informace do a ze zařízení připojených ke sběrnici, z nichž každý je identifikován vlastní, v systému jedinečnou adresou. V každém případě mohou být jednotlivé prvky jak vysílačem, tak i přijímačem, přestože některé obvody působí například jen jako přijímač. Kromě toho může být na každém okruhu jeden i více zařízení master (což je také změna oproti původně navržené specifikaci) a jeden a více zařízení slave. Obvod Master je však vždy ten prvek, které iniciuje komunikaci a přenos dat.

Všechny prvky připojené na I2C sběrnici mají piny SDA a SCL vždy výhradně typu otevřený kolektor (open-drain/opencollector - OC) - viz. obr. 1. Kladná úroveň na pinech sběrnice je tvořena odpory typu pull-up a jednotlivé obvody při své komunikaci stahují tyto piny na zem. Tím je zaručeno, že nedojde ke kolizi v podobě zkratu dvou rozdílných úrovní v případě, kdy dva obvody zahájí komunikaci ve shodný okamžik.


Obr. 1: Fyzické rozhraní I
2C sběrnice

Oba vodiče sběrnice, tedy SDA i SCL jsou obousměrné, i přesto že hodinový signál tvoří vždy zařízení master. Zařízení slave však může pomocí řízení pinu SCL řídit (pozdržet) komunikaci například ve chvíli zaneprázdnění.

Přenosová rychlost je na I2C sběrnici v současné době specifikována ve čtyřech úrovních: 100 kbps (standard mode), 400 kbps (fast mode), 1 Mbps (fast mode plus) a 3,4 Mbps
(high speed mode). V počtu připojených zařízení na jedinou sběrnici, ani její celkové délce neexistuje žádné omezení, pouze je potřeba dodržet maximální kapacitu vodičů 400 pF. Logické úrovně pro I2C sběrnici jsou uvedeny v tab. 1.


Tab. 1: Logické úrovně I
2C sběrnice

Důležitým aspektem sběrnice je logika vodiče SDA, jehož změna může nastat pouze v případě, kdy je vodič SCL ve stavu L. Pouze při povelech start a stop je provedena změna SDA při SCL ve stavu H. Proto je důležité, aby i signál SCL byl stabilní v obou svých stavech, aby se zabránilo komunikačním problémům.

Problém při izolaci I2C:
Obousměrný charakter I2C rozhraní představuje zvláštní úkoly při provádění izolace tak, aby nedocházelo k překmitům nebo nedodržení charakteru komunikace. Obr. 2 představuje jednoduchý obvod sestavený na základě obyčejných optočlenů. Vzhledem k tomu, že optočleny jsou ze své podstaty jednosměrná zařízení, musí btýt každá obousměrná linka převedena dvěma optočleny. Na obrázku je pro ilustraci uveden pouze vodič SDA. Kompletní izolace tedy v případě I2C vyžaduje použití čtyř optočlenů, což samozřejmě nepříjemně zvyšuje náklady na zařízení i jeho složitost.


Obr. 2: Izolace I
2C pomocí optočlenů

Hlavní problém tohoto řešení však vyvstává z možných zákmitů (glitchů), viz. obr. 3.

  • Při přechodu SDA z H do L - V této situaci je IC1 otevřen proudem který teče přes R2. NODE 1 je ve stavu L a tak táhne i zbytek SDA k L přes diodu D2.
  • SDA zůstává v L - Nic se nemění, proud teče stále diodou D2.
  • SDA je uvolněno a přechází do stavu H - Tranzistory v IC1 vypnou až se zpožděním. NODE 1 přechází do stahu H a zapíná IC2, tím přejde i SDA do stavu H.

Problém je tu však právě v uvedeném zpoždění, způsobeném kapacitou vnitřních obvodů optočlenů, které přivádějí hodnotu H na SDA oddělenou sběrnici i ve chvíli, kdy je na vstupní straně vodič SDA již ve stavu L.


Obr. 3: Průběhy napětí na optočleny oddělené sběrnici I
2C

Izolace I2C s pomocí obvodů iCoupler:
Obvody označované jako iCouplery firmy Analog Devices představují, dalo by se říci, další vývojovou řadu optočlenů, přičemž signály jsou v nich izolovaně přenášeny magnetickým polem. Více informací o těchto zajímavých obvodech je možné nalézt například v článku Co je a co nabízí iCoupler.

Pro použití ve spojení s I2C sběrnicí jsou ideální obvody typu ADuM1250 a ADuM1251. První jmenovaný, tedy ADuM1250 umožňuje zajištění obousměrné komunikace jak na datovém, tak i hodinovém pinu. Naproti tomu obvod ADuM1251 zajišťuje obousměrnou komunikaci pouze pro datový pin a hodinový zůstává jednosměrný. Obvod je tedy určen do specifických aplikací, kde není vyžadováno obousměrné propojení hodinového signálu.
Oba uvedené obvody nabízejí izolaci až 2,5 kV rms a jsou dostupné ve standardním provedení SOIC-8.


Obr. 4: Blokový diagram obvodu ADuM1250
 
Obr. 5: Blokový diagram obvodu ADuM1251

Konstrukce izolovaného I2C rozhraní je velice jednoduchá - obr. 6. Celá je složena pouze z jediného integrovaného obvodu a dvou nezbytných blokovacích kondenzátorů na napájecích pinech. Celkem čtyři pull-up rezistory na pinech SDA a SCL souvisí se specifikací rozhraní I2C a jejich doporučená hodnota je dostupná právě v rámci této specifikace.

Obvody ADuM1250/ADuM1251 podporují dvě obousměrné komunikační linky prostřednictvím vnitřní konfigurace čtyři jednosměrných izolovaných kanálů a open-drain výstupní logiky. Maximální hodinová frekvence použitelná s těmito obvody je 1 MHz, tedy komunikační rychlost fast mode plus.


Obr. 6: Vnitřní konfigurace obvodů ADuM1250 a ADuM1251 včetně napěťových úrovní

Na následujícím obrázku je úplné zapojení izolovaných obvodů komunikujících prostřednictvím sběrnice I2C.


Obr. 7: Kompletně izolované řešení I
2C sběrnice

Uvedený příklad představuje nejjednodušší možný způsob izolovaného propojení sběrnice I2C a jednotlivých komunikujících obvodů s použitím produktů iCoupler. Více informací je možné nalézt ve zmíněné aplikační poznámce a technické dokumentaci obvodů ADuM1250 a ADuM1251.

Následující videoklip představuje použití obvodů ADuM1250/ADuM2250 iCoupler® - digitálních izolátorů pro použití v tří-úrovňových logických systémech společnosti Philips, speciálně vyvinutých pro zajištění izolovaného obousměrného přenosu dat.

Odkazy & Download:
Domovská stránka Analog Devices
Digital Isolators / Interface
iCoupler® Digital Isolation - Unparalleled Performance and Integration

Isolating I2C Interfaces - Ronn Kliger
The I2C-Bus Specification, Version 2.1, January 2000 (NXP Semiconductors)
Co je a co nabízí iCoupler







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 05. 11. 2009 v 11:19 zaslal host
Bez titulku
jen je škoda že ty iCouplers stojí často víc než samotné I2C čipy, ale když je to potřeba tak proč ne


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PU232S - Převodník USB/RS232
Převodník USB / RS232 s obvody FTDI a plným sériovým portem RS232 Full.
Skladem od 395 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007