雙向總線簡(jiǎn)介及為什么要拆分雙向總線

雙向總線（例如，I 2 C，SMBus和LIN）在今天已經(jīng)無(wú)處不在電子產(chǎn)品部分原因在于其簡(jiǎn)潔性。僅使用兩條線 - 數(shù)據(jù)和時(shí)鐘 - 多個(gè)設(shè)備可以相互通信。根據(jù)I 2 C總線規(guī)范，多達(dá)128個(gè)設(shè)備可以共享相同的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線;這可以通過(guò)在每個(gè)器件上使用外部上拉電阻和開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果沒(méi)有設(shè)備發(fā)送0，則總線通過(guò)上拉電阻自然地拉至1。但是，總線上的任何器件都可以將其拉至0.

允許總線主控器隨時(shí)驅(qū)動(dòng)總線，并且從器件在一定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)總線主控器的查詢。在多主方案中，作為總線主控的各個(gè)設(shè)備需要執(zhí)行自己的總線仲裁。希望對(duì)總線進(jìn)行控制的總線主控器需要將其拉至0進(jìn)行測(cè)試;這通知其他主設(shè)備正在使用總線。

為什么要拆分雙向總線？

I 2 C總線規(guī)范[1]包含一個(gè)參考電路，允許它分成輸入和輸出對(duì)。出于若干原因需要此配置。首先，在安全，噪聲和接地問(wèn)題的情況下，分離總線可用于光學(xué)隔離總線主機(jī)和從機(jī)（圖1）。此外，通過(guò)放大分離總線（圖2）或用執(zhí)行介質(zhì)轉(zhuǎn)換的電路替換放大器，可以實(shí)現(xiàn)性能提升。這可以增加總線的工作距離并通過(guò)減小電容來(lái)提高性能。隨著電容下降，信號(hào)時(shí)間常數(shù)t由上拉電阻控制。

圖1雙向總線隔離

圖2雙向總線中繼器

對(duì)于那些設(shè)計(jì)雙向總線控制器的人，可以使用總線分流技術(shù)進(jìn)行調(diào)試。雙向協(xié)議的典型調(diào)試變得困難，因?yàn)樾袨椴划?dāng)?shù)目刂破骺梢詫⒖偩€拉到0而另一個(gè)控制器斷言對(duì)總線的控制。這種情況使得在不知道每個(gè)設(shè)備的控制器的內(nèi)部狀態(tài)的情況下識(shí)別總線上的發(fā)送設(shè)備是不可能的。但是，通過(guò)圖2監(jiān)控/gateB1和/gateA2線路，可以僅使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和調(diào)試技術(shù)識(shí)別發(fā)送設(shè)備和總線的任何同時(shí)斷言。

最后，總線分離技術(shù)可用于將I 2 C支持的設(shè)備連接到另一個(gè)沒(méi)有I 2 C控制器的設(shè)備。在這種情況下，分離總線可以連接到另一個(gè)設(shè)備的GPIO（圖3）。

圖3與GPIO接口的分離總線

有幾個(gè)已發(fā)布的電路能夠拆分雙向總線。不幸的是，用于分離總線應(yīng)用的參考電路要么需要為特定應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的電路（如發(fā)表的文章中所見(jiàn)），或者需要外部控制邏輯（如I 2中所見(jiàn)） C標(biāo)準(zhǔn)）使用傳輸門(mén)允許發(fā)送器和接收器進(jìn)行通信，而不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致閉鎖的反饋路徑。閉鎖條件在圖2中很明顯，其中IOA將總線拉至0迫使IOB通過(guò)/gateB1拉至0，然后迫使IOA通過(guò)/gateA2無(wú)限期地拉到0。

本設(shè)計(jì)方案中介紹的雙邊仲裁器可以將雙向總線分成發(fā)送和接收對(duì)，并以通用方式構(gòu)建，允許它用于任何分離總線應(yīng)用。此外，它不需要外部控制邏輯 - 總線僅由數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)控制：

圖4雙邊仲裁者啟用電路

雙邊仲裁

圖5 中所示的仲裁器，包括來(lái)自圖4的交叉耦合使能電路，因?yàn)楦鶕?jù)定義，雙向總線僅支持半雙工通信。在穩(wěn)定狀態(tài)下，DATA總線通過(guò)上拉電阻R1和R2拉高，強(qiáng)制OUT1和OUT2為0.這使兩個(gè)NMOS FET保持在截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)IC1將DATA拉低時(shí)，OUT1變?yōu)?，這使得Q2下拉IC2的DATA總線。同時(shí)，OUT1被饋送到NOR門(mén)U2的輸入端，將反饋回路從OUT2斷開(kāi)回Q1。這種反饋環(huán)路的中斷消除了閉鎖條件，使得任何其他控制邏輯都不必要，因?yàn)閿嘌云鋽?shù)據(jù)線的第一個(gè)電路贏得競(jìng)爭(zhēng)并通過(guò)NOR門(mén)阻斷另一個(gè)電路。

圖5雙向總線的雙邊仲裁

圖6雙邊仲裁啟用總線放大

由于電路的通用性，雙邊仲裁可以應(yīng)用于任何分離總線應(yīng)用。圖6顯示應(yīng)用于擴(kuò)增的雙邊仲裁。通過(guò)分別用介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路或光隔離器替換放大器組件，可以很容易地將其擴(kuò)展到介質(zhì)轉(zhuǎn)換和總線隔離。對(duì)于總線控制器調(diào)試目的，可以監(jiān)視放大器之間的線路，以幫助識(shí)別故障總線控制器。圖7顯示雙邊仲裁適用于I 2 C-to-GPIO連接。

圖7I 2 C到GPIO的連接

結(jié)論

將雙向總線分成發(fā)送/接收對(duì)有幾個(gè)原因。從提高性能到啟用調(diào)試再到隔離，總線分離是許多設(shè)計(jì)人員隨時(shí)都會(huì)發(fā)現(xiàn)有用的技術(shù)。

雙邊仲裁是一種總線仲裁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)總線分裂應(yīng)用。它依賴于雙向總線通信的行為來(lái)消除對(duì)外部控制電路的需求，并且通用性足以用于許多應(yīng)用而不會(huì)增加不必要的復(fù)雜性。