MCU I2C通信速率分析

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I2C是單片機(jī)開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的一種通信方式，通信速率也會(huì)影響通信效率，以及硬件設(shè)計(jì)要求。

目前I2C常見(jiàn)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(cè)：


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(jiǎn)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(gè)產(chǎn)品系列，包括已經(jīng)發(fā)布的RA2、RA4和RA6系列，以及計(jì)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(jí)產(chǎn)品平臺(tái)，基于ARM Cortex-M23內(nèi)核設(shè)計(jì)，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(gè)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(zhuān)用IIC接口
2
用SCI配置為簡(jiǎn)易IIC接口（SCI_IIC）
在RA2系列MCU的硬件手冊(cè)的描述中，明確說(shuō)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(zhuān)用IIC接口


ii. 用SCI接口配置為簡(jiǎn)易IIC接口（SCI_IIC）


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




這是因?yàn)閷?duì)于SCI_IIC，其通信速率基于以下的公式進(jìn)行計(jì)算：


基于以上的公式，可以得出以下的理論計(jì)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(shí)鐘選擇為32 MHz時(shí)，理論計(jì)算超過(guò)400 kHz的通信速率，這已經(jīng)超出了硬件手冊(cè)規(guī)定的400 kHz的通信速率范圍，所以硬件無(wú)法支持這個(gè)速率，實(shí)際測(cè)量值約為375 kHz，通過(guò)測(cè)試，也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。
在PCLKB時(shí)鐘選擇為24 MHz時(shí)，理論計(jì)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(guò)分析，當(dāng)PCLKB = 12.8 MHz，n=0, N=0時(shí)，可以得到B=400 kbps的速率，所以這需要使用一個(gè)12.8 MHz的外部主時(shí)鐘。這里需要說(shuō)明的是，當(dāng)PCLKB設(shè)置為12.8MHz時(shí)，F(xiàn)SP會(huì)自動(dòng)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(wú)需用戶(hù)考慮。

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

而對(duì)于專(zhuān)用IIC接口，其通信速率基于以下的公式進(jìn)行計(jì)算：


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

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

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