[参考译文] P82B96：当 SDA 进入 START 条件时、SCL 线路上的向下尖峰

您好 Igor、

是否可以为您的电路板共享更详细的原理图版本、其中向我们展示了用于不同信号的特定引脚？  

我还想了解您的电源去耦电容器是什么以及如何为电缆远程侧的电路板供电。  您是通过 LDO 还是直流/直流转换器从12V 电源获取这些电压、以获得3.3/5V 电压？  

您是否在 I2C 通信期间监测过各种电源电压电平以了解任何形式的毛刺脉冲或压降？  由于所有信号都使用上拉电阻器来产生高电平、任何形式的压降、即使是瞬时的压降、都可能表示自身为不良位或毛刺脉冲。  与其他位相比、您显示的下降尖峰干扰并不会完全达到"低电平"或 GND。  这使我想知道以下情况是否可能发生。  当 SDA 线路被拉至低电平时、电源轨电压下降、直到电源感测到额外电流的需求并相应地调整其输出以将电压升高至设定的电平。  因此、SCL 线路的高电压将下降以反映电源电压、因为它由上拉电阻器设置。  如果压降足够大、可以跨越输入逻辑阈值、它可以像实际位一样传播到其他缓冲器的其他侧。  适当的去耦应在这些转换期间提供额外的电流源、并防止这种类型的行为。  您能否与我们分享这些电压波形和您的去耦/电源电路？

另一个尝试的想法是从主器件上的 SCL 线路上断开 Rx 或 ry 引脚。  P82B96有单向引脚、由于 SCL 线路是由主器件单向供源的、因此无需连接该信号上的接收引脚。  也许通过缓冲器反馈的干扰或信号存在问题。  当此引脚断开连接时、最好知道问题是否仍然出现。

此致、

Jonathan

您好、Jonathan、

感谢您进行了非常透彻的分析。 故障排除过程中的原理图与从 TI 白皮书中获取的图完全相同:-)

我需要指出的是、现在我尝试断开远程 I2C 客户端(MCP23017多路复用器)的连接、并且行为完全相同。 也就是说、现在剩下的内容是：Raspberry PI 及其 I2C 驱动程序软件和两个 P82B96之间有一根导线。

至于电源、我使用现成的模块：开关电源230V/24V 4-6A。 此后、直流/直流转换器可获得5V 和12V 电压：例如基于 Xl4005的模块。

这非常接近我现场的原始电源。 我不得不承认、这种设置非常嘈杂、但我还没有遇到问题。

去耦电容器在每个 IC 上为0.1uF、在5V 和12V 本地和远程电源轨上为1000uF。

远程从板没有自己的电源、可通过相同的 CAT6机柜获得+5V 和+12V 电压。

我在传输过程中没有查看过电源轨。 我得这么做、你是对的。 我确实考虑了一种电源问题、但排除了这种问题、因为该干扰仅在启动条件下出现、而不是在后续位的传输期间出现。  

哇！ 由于 SCL 信号的性质、断开主器件侧的 ry 是一个明智的选择。 我一定会尝试的！

我现在正在旅行、因此需要一段时间才能返回更多结果。 但我非常渴望。 再次感谢您提出的新想法！

您好 Igor、

感谢您提供更多信息。  我认为电源是一个漫长的过程、但良好的电源始终是重要的、许多问题可能是由高噪声电源或压降(欠压)条件引起的、因此检查起来总是很好的。  听起来好像您具有良好的去耦功能。  

关于我的原理图问题、我更感兴趣的是弄清 SDA 使用了哪些引脚、SCL 使用了哪些引脚。  假设您将"x"引脚用于 SDA、将"y"引脚用于 SCL 上的"y"引脚用于所有节点、我的回答是否正确？  它并不会产生影响、但我正在寻找尽可能多的信息来帮助您解决此问题。  我不知道任何通道相关性、但如果我尝试复制您的设置、我希望使用您正在使用的相同引脚。

我还有一个观察结果对我有点影响、我希望你检查一下。  您能否测量 SDA 和 SCL 信号上的实际高电压和低电压电平？  SCL 和 SDA 信号似乎具有不同的振幅、更重要的是、SDA 信号的"低"电平似乎低于 GND。  这可能是示波器设置或探头问题、只是测量系统中的偏移。  但是、如果信号实际低于 GND、则可能会导致一些内部保护二极管或其他元件变为有效状态或行为有所不同。  

当您有机会再次查看时、我期待您的结果。

此致、

Jonathan

您好 Igor、

我很好奇-您现在是否有机会进一步研究这个问题？  或者、您是否有幸解决了这个问题？

此致、
最大

您好、Jonathan、

最后、我必须测试上述想法。

电源尽可能干净。 尖峰发生时没有明显变化。

我将 X 用于 SDA、Y 用于 SCL、正如示例中所示。 但我也尝试在主器件侧进行交换、但没有明显变化。

SDA 和 SCL 的电平非常接近。 我只是偏移示波器上的通道、以便更好地查看信号。 我本应该提到的，对不起:-)

现在进入最有趣的部分。 我尝试从任一端和两端的 Ry 上断开 Ty。 断开主器件侧的电源没有任何影响。 断开从器件侧的 Ty 和 ry 确实会起作用。 下降尖峰完全消失。 但是(和往常一样)、这是下一个问题。 现在、我看到 SCL 和 SDA 之间存在时间偏差。 该时间偏差仅存在于 S 侧、而不存在于 R/T 侧。

这是一个实际问题、因为 SDA 上的上升时间早于 SCL 下降时间、所以再次阻止了通信。 这显然使从器件读取一个位为两个位。

另请注意、SCL 上的占空比现在与1/2不同。

我尝试进行实验并更改了许多内容、例如：

*增加 Sx 侧的上拉电阻、使前端变得不太陡峭。 这是唯一偶尔会影响通信但不稳定的措施。
*在 Sx 侧添加额外电容、这基本上与上述情况相同。
*在从器件侧的 TxRx 和 TyRy 上添加额外的上拉和下拉。 其中一些我设法使偏差更糟、有些可能更好、但不足以看到差异。
*将 ry 和 Ty 连接到不同的电阻器(刚刚变得疯狂)。 有趣：在 ry 和 Ty 之间有300欧姆时、我同时看到了这两个问题。
*在主器件侧将 TxRx 与 TyRy 进行交换。 在从器件端执行此操作更合乎逻辑、但实际上我需要重新调整、因此我跳过了此操作。

当我在硬件方面完成尝试时、我认为我实际上可以尝试在主器件本身(Raspberry PI)的软件中影响 SDA 和 SCL 之间的时序、但这是最后的选择。 总之、看看 Raspberry PI 上的原始时序、我想知道 SDA 为什么会在 SCL 下降时完全上升、而不会有任何裕量？

以防万一、我在这里得到了我的芯片：

www.mouser.se/.../P82B96P

再一次被想法所淘汰:-)

尊敬的 Max：

是的、是的、是的、不是的、是的、是的、是的。 请参阅上文。

谢谢、

Igor

编辑：(1)更改了一些语法错误(2)添加了使 SDA 上拉电阻器仅在主侧较弱(3)在 I2C 规范的上升时间基准目标(4)中添加了弱上拉电阻器的建议并在 TX 和 Sx (从侧)上添加了电容

嗨、Igor、

"这是一个实际问题、因为 SDA 上的上升时间早于 SCL 下降时间、所以再次阻止了通信。 这显然使从器件读取一位为两位。"

您的从器件看起来像是在时钟的下降沿而不是在 SCL 高电平周期的中间对数据进行采样(中间是 I2C 规范及其应如何完成)。 我看到的另一个问题是、我们无法满足 I2C 规范、因为 SDA 线应该仅在 SCL 线低于30%时发生变化。 ｛对于某些人来说、这是必须满足的事情、对于其他人而言、只要沟通良好、他们就不在乎｝

假设我们希望使从器件的 RY 和 TY 保持断开状态、因为它似乎可以解决第一个问题。

我们可以尝试以下操作：

我想我们可以尝试在硬件中解决这个问题、方法是在上拉电阻器和主器件 SDA 之间添加一个串联电阻器、并在主器件的 SDA 线路上添加一些电容。 这将改变主器件生成的下降时间、因为我们现在要改变 RC 常数。 对于串联电阻器、我可能会使用大约50欧姆的电阻器、可能会使用~100pF 至~200pF 的电阻器。 这只需在 SDA 主器件侧完成(我们希望与主器件的 SCL 不匹配)。 我不会过于疯狂地使用串联电阻器、因为我们需要低于~600mV 电压才能使 P82B96识别低电平。 我们可能还希望使上拉电阻器稍弱(仅在 SDA 线上使其成为更大的值)、从而使上升时间更慢并降低传播速度[这也有助于减小卷裕度]。 (对于400kHz、我们希望 Vcc 的30%至70%测量的上升时间小于300ns、对于100kHz、我们希望 Vcc 的30%至 Vcc 的70%具有超过1微秒的时间)。 为了在 SDA 传输上增加进一步的传播延迟、我们可以使上拉电阻 器变弱、并在从器件的 Sx 侧和 TX 传输线侧增加电容。

另一个建议是移除从器件上的 P82B96并重新安装新器件、以防其中一个器件由于某种原因而损坏(可能是与 ESD 相关的损坏？ 或电缆线路上的电感下冲导致了一些损坏)。

谢谢、

-Bobby

您好、Bobby、

下面是有关该问题的快速更新。 我还没有太多时间进行实验。

更改我已经尝试过的两侧的 P82B96、没有区别。

我按照您的建议在主器件侧添加了串联电阻器和电容器、但我没有看到这种情况的任何实际影响。 只需确定、它是您想要的 R5+C1吗？

 我尝试了不同的值、最高可达200pF 和100Ohm 的组合、但两侧的差异都不大。 因此、我尝试了一些极值、例如100欧姆+ 5nF。 然后、我看到了一个变化、但对于第一个数据位来说、这仍然是不够的、而对于另一个数据位来说、变化太大了。 您可能会在示波器图像上注意到、第一个数据脉冲较长、并且可能是唯一存在问题的脉冲。  因此、移动前向和改变所有数据脉冲的长度最终会固定一个脉冲并断开另一个脉冲。

我还使用非常大的串联电阻器尝试了大电容- 10nF + 4.7K、但这当然使数据脉冲的时间太长了、无法接受。 并且对前端的影响不大。

我还尝试在主器件侧的 SDA Sx 上增加上拉电阻器、但我没有看到太大的差异、可能是因为串联电阻器？ 高达56K。最初为4.7K   

我不太愿意更改 TxRx 侧的上拉电阻、因为这可能会干扰连接的从板数量(电容)。

现在我有另一个想法：您可能已经注意到、在我们断开从器件侧的 Ty 和 ry 之后、SCL 上的占空比不是1/2。 我想知道是否有办法使其恢复到1/2？ 我不是完全确定的、但我认为"延迟"问题实际上是 SCL 脉冲延迟结束的问题。 如果它们是1/2、则它们应该不会与数据脉冲重叠。 什么会导致占空比的变化？ P82B96正在等待 Rry 上的内容？

只需再次提到、我使用的从器件是标准 MCP23017、因此我无法对其行为做太多处理。   

谢谢您的帮助！

Igor

您好！

我检查了从器件 P82B96两侧的 SCL 线路- Ry 和 Sy、并确认了占空比变化但无延迟的事实：

黄色的是 Sy，蓝色的是 Ry.

到目前为止、除了连接 Ty 和 Ry、我还没有找到一种方法来影响这一点、因为连接 Ty 和 Ry 会导致原来的问题。

您好、Bobby、

我已经尝试了您在上面建议的所有操作。 唯一对通信具有持续影响的测量方法是将 T/R 侧的电压从12V 降低到5V。 当两侧的 Ty 和 ry 线路连接在一起时、通信正常。 我尝试增大电压以查看阈值在哪里。 它介于6V 和7V 之间。6V 仍然正常。 7V 向下尖峰反向。  

如果从器件侧断开了 ry 和 Ty 线路(无论 Ty 上的上拉电阻如何)、则5V 时的信号看起来比12V 好得多、但仍然不足以让从器件开始响应。

谢谢、

Igor

您好 Igor、

我再次很抱歉、您难以使其正常工作、但感谢您提供的所有详细信息和实验。  Bobby 是我们的 I2C 专家、我正在根据您的描述以及我手头上的电路板和直流/直流稳压器、为您创建一个重复设置。  我们正在思考并致力于解决您的问题。  我希望能够进行一些与您类似的测试、并能够就该问题的根源发表一些看法。  我希望很快能与大家分享一些成果。

此致、

Jonathan

您好 Igor、

我已经创建了我希望成为您的功能等效系统的内容、遗憾的是、我没有观察到您描述的问题、我的沟通和信号似乎是正确的。  我将介绍我的设置。

我的设置有几个不同之处。  

1) 我使用 Digilent 的 Analog Discovery 2模块作为 I2C 主设备、而不是 Raspberry Pi。  如果您不熟悉它、这是一种 USB 多功能仪器、其中包括一个协议分析器、我将用于 I2C 通信、以及其他工具、例如电源、2通道示波器和逻辑分析器、这些工具对于调试设置非常有帮助。  

2) 我不知道您的数据速率是多少、但我以100kHz 的频率运行。

3) 我使用的是我们的24位 IO 扩展器(TCA6424A)、而不是用作从器件的 MCP23S17。

4) 我使用的是符合 TIA/EIA 568B 引脚布线标准的25英尺(7.6m) CAT5E 以太网电缆、而不是 CAT6电缆。  我使用的是绿色和蓝色双绞线、电线颜色的引脚编号和功能如下：

引脚1 -白色/橙色(未使用)

引脚2 -橙色(未使用)

引脚3 -白色/绿色(GND)

引脚4 -蓝色(SCL)

引脚5 -白色/蓝色(12V VCC)

引脚6 -绿色环保(SDA)

引脚7 -白色/棕色(未使用)

引脚8 - Brown (未使用)

我使用的2个 LM2596直流/直流降压开关模块与您在上一篇文章中展示的模块非常相似。  我使用第一个电压轨从较大的电压轨创建12V 电压轨。  然后、我可以通过调节 POT 来扫描该电压。  第二个模块从电缆的从侧获取12V 电压、并创建3.3V 电源轨为 I2C 上拉和 TCA6424A 器件供电。  我将注意到、我使用 AD2上的电源为主 I2C 信号创建3.3V I2C 上拉电压。  我调节了12V 直流/直流转换器上的 POT、将 VCC 从12V 扫描到3.3V、在任何电压下都看不到任何通信损耗。  因此、我无法找到导致您的电压相关行为的原因。

我有两个具有 P82B96器件的小型电路板、连接 SX/Sy 上 I2C VCC 的4.7K 欧姆上拉电阻器(主板和从板)、以及 Tx/Rx 和 Ty/ry 线路上的240欧姆上拉电阻器(仅限主板侧)。  这些电路板的 Tx/Rx 引脚和 Ty/ry 引脚在器件的引脚处短接在一起。  我不必分离引脚即可实现无差错通信、我的设置基本上遵循数据表的应用图。  我在引脚8 (VCC)上还有一个0.1uF 去耦电容、在电路板的 VCC 和 GND 之间还有一个额外的10uF 去耦电容。  有一个终端我连接了以太网电缆的绿色和蓝色双绞线的4根导线。  

TCA6424A 器件焊接到32引脚 QFN 转 DIP 分线板上、我只需使用塑料试验电路板进行连接。  这是一种简单的设置、容易由于导线而产生误差、并且由于导线而产生额外的寄生电容和电感。  但是、我似乎无法重复您描述的行为。

这是否与您正在做的事情相匹配？  或者、我是否缺少对您的设置至关重要的其他内容、而这些内容对于解决此问题可能至关重要？  我希望这也会促使您思考您的设置中可能会有哪些不同、从而使您能够正常工作。

您能否分享有关您的设置、电路板原理图和布局、电缆引脚分配、 数据速率等的任何其他详细信息、以帮助我们找出错误？  如果您不希望将该信息发布到论坛、但愿意与我私下分享、我可以在系统中查找您的电子邮件地址、并与您私下联系以交换此信息并保持私密性。  请告诉我您希望如何继续。

此外、我们很好奇电缆侧(Tx/Rx 和 Ty/ry)信号是什么样子的。  您能否分享这些信号的一些示波器截图？  我们对电压高/低电平的外观以及70%和30%电平之间的下降时间和上升时间测量值感到好奇。  下降时间更重要、在我的设置中、我的测量范围是10ns 至12nS。  我认为您到目前为止共享的每个波形都位于器件的 SX/Sy 侧。  我很好奇、占空比和偏斜问题是否可能是信号在12V 侧的观察方式造成的。

我希望这些信息对您有价值、希望我们能够弄清楚您的设置有何不同。

此致、

Jonathan

您好、Jonathan、

感谢您付出的巨大努力！

我将仔细检查您的设置并将其与我的设置进行比较。 当然、我问自己是否在寻找故障电源或原理图错误等重影、但问题是我尝试了不同的设置变体、无论发生什么情况、行为都保持不变。 首先、我在现场的主侧有一个 PCB、在从侧有一个类似的 PCB。 然后、为了确认我的设置、我用仍然使用同一从 PCB 的试验电路板设置替换了主侧 PCB。 然后、我最终也更换了从 PCB。 因此、在我的第一次设置和最后一次设置之间没有一个通用的硬件组件。 我甚至尝试过不同品牌的 P82B96、他们的表现仍然非常相似。

在我的实验中、我引入并移除了3.3/5V 逻辑电平转换器和5->3.3V 电源、因此、也许这会使我的问题始终存在。 另一个区别是、由于现场存在其他设备、我正在使用更多的降压转换器、但本实验中移除了这些设备。 我在主侧的典型电源设置为24V -> 5V -> 3.3V (序列中的两个降压转换器)加上24V -> 12V (P82B96)。 在从器件侧、P82B96的12V 由主器件侧提供、而5V 由单独的电源轨接收。 在从器件侧、我只有一个5V -> 3.3V 降压转换器：

我在主电源和从电源之间有两个独立的接地轨、一个使用5V 电源、另一个使用12V 电源。 这看起来很奇怪、容易出错、现在我甚至不记得这样做的确切原因。 我认为我想通过某种方式将 P82B96与系统的其余部分隔离开来。 当我第一次尝试使用分离的接地线来运行此系统时、我在 P82B96的 SX/Sy 侧遇到了很多噪声。 当我在从侧短接接地线(如上图所示)时、噪声消失、因此我保持两条接地线并使其保持短接。 这是否也会导致最初的问题？ 我意识到接地回路的风险以及其他可能的问题、但我当时看不到任何问题。   

   
我希望在完成比较后、能够再次获得更多的结果。

再次感谢您！
Igor    

您好 Igor、

感谢您提供额外的信息并绘制出直流电压树。  我认为、如果不使用数字隔离器、主器件和从器件注释之间就不可能有单独的接地、因为主器件和从器件在 Tx/Rx 和 Ty/ry 引脚上共享相同的上拉电阻器。  可以通过将 Tx、Rx、Ty 和 Ty 引脚与隔离器分开来对主器件和从器件进行电隔离、但需要沿着电缆共享接地连接。

我还有几个问题。

除了 I2C 信号之外、是否还沿电缆发送12V 和5V 电压？  您是否需要从板上的5V 和3.3V 电压？  如果是、这是合理的、但 P82B96器件可以在 I2C 总线上的任一电压下运行、以匹配总线上其他器件的 I2C 电压。

您提到过使用3.3V/5V 电平转换器。  它们位于主板、从板还是两个板上？  由于 P82B96可以在3.3V 或5V 电压下运行、因此您不能只将 P82B96 I2C 上拉电阻值设置为所需的电压、也不能使用电平转换器？  我想知道它们在系统中的位置、以及它们是否会计入错误。  电平转换器的器件型号是多少？  我假设它们是自动检测双向转换器、无需方向控制引脚即可处理 SDA 数据。  我在这些方面的经验是、它们具有非常极端的阈值来检测高位和低位、并且可以轻松地将方向切换为噪声、因为它们希望在不丢失大部分位时间的情况下快速更改方向。  长电缆应用中的任何类型的反射或噪声都可能导致它们切换、或信号无法达到大于阈值的幅度。  过去、我在这些开关方向上遇到过意外的问题、转换器另一侧的电压会传回总线、导致错误。  您是否能够消除电平转换器可能导致任何问题的可能性？

此致、

Jonathan