MCU I2C通信速率分析

嵌入式專欄 · 發(fā)表于 2024-9-14 12:09:00

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I2C是單片機(jī)開發(fā)中常見的一種通信方式，通信速率也會影響通信效率，以及硬件設(shè)計要求。

目前I2C常見的通信速率有5種：
雙向通信速度（模式）：100 kbit/s：標(biāo)準(zhǔn)模式，Standard-mode (Sm)；400 kbit/s：快速模式，F(xiàn)ast-mode (Fm)；1 Mbit/s：快速模式+，F(xiàn)ast-mode Plus (Fm+)；3.4Mbit/s：高速模式，High-speed mode (Hs-mode)；
單向通信速度（模式）：5 Mbit/s：超快模式，UItra Fast-mode (UFm)。
可以參看I2C協(xié)議手冊：

今天結(jié)合瑞薩RA2系列單片機(jī)給大家分享一下I2C通信速率的內(nèi)容。

一、RA系列MCU簡介
RA（Renesas Advanced）系列MCU是瑞薩于2019年10月推出的基于ARM Cortex-M23/M33/M4內(nèi)核的新一代產(chǎn)品系列，豐富了瑞薩的32位MCU系列產(chǎn)品。

瑞薩RA系列MCU包括4個產(chǎn)品系列，包括已經(jīng)發(fā)布的RA2、RA4和RA6系列，以及計劃發(fā)布的RA8系列，適用于從低端到高端的嵌入式終端產(chǎn)品。

RA2系列MCU為瑞薩RA系列MCU的初級產(chǎn)品平臺，基于ARM Cortex-M23內(nèi)核設(shè)計，主要特性為低功耗，最高主頻為48 MHz，擁有最高可達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM，電源電壓范圍為1.6 V到5.5 V，具有全速USB，CAN，24位∑-?，16位ADC，電容式觸摸感應(yīng)單元等豐富的外設(shè)資源。

RA2系列MCU有4個子產(chǎn)品線，包括工業(yè)傳感器應(yīng)用和通用應(yīng)用系列：

二、RA2系列MCU IIC通信速率分析
IIC總線是常用一種串行通信總線，RA2系列MCU有兩種IIC接口配置：
1
專用IIC接口
2
用SCI配置為簡易IIC接口（SCI_IIC）
在RA2系列MCU的硬件手冊的描述中，明確說明以上兩種IIC接口的通信速率的上限都可以達(dá)到400 kbps：
i. 專用IIC接口

ii. 用SCI接口配置為簡易IIC接口（SCI_IIC）

通常，在實際應(yīng)用中，一般都是使用瑞薩開發(fā)的靈活配置軟件包（FSP）來創(chuàng)建所需的軟件，但是在實際的FSP配置中，即使配置速率為Fast-mode，SCI_IIC也無法實現(xiàn)400 kbps的通信速率，在使用內(nèi)部48 MHz時鐘的條件下，一般只能實現(xiàn)大約330 kbps的通信速率：

這是因為對于SCI_IIC，其通信速率基于以下的公式進(jìn)行計算：

基于以上的公式，可以得出以下的理論計算，上圖公式中的PCLK為PCLKB，根據(jù)電氣特性要求，PCLKB的最大值為32MHz：

在PCLKB時鐘選擇為32 MHz時，理論計算超過400 kHz的通信速率，這已經(jīng)超出了硬件手冊規(guī)定的400 kHz的通信速率范圍，所以硬件無法支持這個速率，實際測量值約為375 kHz，通過測試，也驗證了這個結(jié)論。
在PCLKB時鐘選擇為24 MHz時，理論計算只能達(dá)到375 kHz的通信速率。
如果需要SCI_IIC達(dá)到400 kbps的理論最大值，通過分析，當(dāng)PCLKB = 12.8 MHz，n=0, N=0時，可以得到B=400 kbps的速率，所以這需要使用一個12.8 MHz的外部主時鐘。這里需要說明的是，當(dāng)PCLKB設(shè)置為12.8MHz時，F(xiàn)SP會自動將BRR寄存器和SMR寄存器的CKS[1:0]位設(shè)置為相應(yīng)的值，無需用戶考慮。

所以SCI_IIC接口需要一定的硬件條件，才可以實現(xiàn)400 kHz的通信速率。

而對于專用IIC接口，其通信速率基于以下的公式進(jìn)行計算：

其中IICφ為基準(zhǔn)時鐘，通過分頻得到400 kHz的整數(shù)倍的值即可，例如：如果外部時鐘選擇為20MHz時，通過不分頻可得到PCLKB也為20MHz，這樣FSP自動將CKS設(shè)置為0,便可得到IICφ= 20MHz，這樣50個基本時鐘就是400KHz了。

所以對于標(biāo)準(zhǔn)IIC接口，可以比較容易的設(shè)置硬件，從而實現(xiàn)400 kHz的通信速率。

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