设计指南 5033

严谨至上(通过I²C接口读取ADC数据)

By: Ilya Veygman

摘要 : 本应用笔记讨论了通过I²C兼容接口读取多字节数据时需要特别注意的地方。介绍了每次读取一个字节时容易出现的问题,并给出了几个具体示例。本文也描述了进行数据传输的正确方法。

概述

I²C兼容2线接口是功能强大的总线机制,用于连接微控制器或微处理器与低速外设,例如:集成了模/数转换器(ADC)的外设。基于该总线的最基本的通信方式(即,写入/读取从机寄存器的一个字节)非常直观。但是,如果因为这种方法简单而掉以轻心,则会导致严重的系统错误。

单字节通道传送2字节数据

任何连接外设(尤其是传感器)的数字接口,都需要确保从器件的内部寄存器正确读取数据,尤其是在读取寄存器的过程中数据发生变化的情况下。数据传输过程中,如果ADC执行转换操作并更新寄存器的内容,数据则会发生改变。许多器件带有内部缓存器(通常不能从外部访问),用来存放最新转换结果。当I²C总线处于空闲状态时,更新所谓的“用户可访问”寄存器内容。

I²C协议每次只传送1个字节的数据。因此,如果有效数据字长超过8位,并且没有合理处置传输操作,则会引发问题。比如,MAX44000环境光传感器(ALS)的数据寄存器具有多达14位的数据(另有1位作为溢出标志,表示需要增加计数/亮度设置)。

表1. MAX44000 ALS数据寄存器
REGISTER B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 REGISTER ADDRESS
ADC High Byte (ALS) OFL
ALSDATA[13:8]
0x04
ADC Low Byte (ALS)
ALSDATA[7:0]
0x05

我们不能通过I²C直接读取所有数据ALSDATA[13:0],需要首先读取寄存器0x04的内容,然后读取寄存器0x05的内容,再把这些数据合并到一个至少16位的寄存器内。因此,在读取这些数据时需要特别谨慎。通过两次简单的单字节读操作(利用STOP (P)条件终止)完成数据读取,如图1所示。

图1. 单字节读操作
图1. 单字节读操作

这种方法存在致命缺陷,确切地说,向器件发送STOP条件,返回“用户可见”的寄存器内容。由此,从寄存器0x04读取数据后,实际的14位数据可能在读取0x05寄存器之前已经更新。几种情形下,这种缺陷可能导致严重错误。

例如,当MAX44000环境光传感器处于10位、12位或14位模式时,亮度处于相对稳定状态,假设亮度在小范围波动,或许亮度正在缓慢上升,或周围存在少量噪声,使得0x04和0x05寄存器的14位数据计数值为255或256,考虑表2中的三种情形。

表2. 误差图示说明
State of Registers During
First Byte Read (Read 0x04 Only)
State of Registers During
Second Byte Read (Read 0x05 Only)
Result (14 Bit)
Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch
Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch
Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch Illustration of the Glitch

在后两种情形下,我们可能读到0或511,而不是读255或256,这是一个很严重的错误。发生这已错误的原因在于,第一次和第二次读操作之间,发出STOP状态后,寄存器0x04和0x05中的数据被更新。第一种出现问题情形下,第一个字节可以正确读出,但在读第二个字节时,总数为256的数据对应的最低位为零,因而,我们从器件中得到读数0;第二种出现问题的情形下,数据总计数值为256,由于在STOP状态发出后,第二个字节的数据在读取之前减少了1,所以显示为511,图2给出了多次读取数据时,这种故障的抽样情况。

图2. 多次采样时,实际读取单字节的数值
图2. 多次采样时,实际读取单字节的数值

这个问题很容易通过一次读取2字节数据来避免,如图3所示。具体操作是,读取第一个数据字节后,发送REPEATED START (而不是STOP)进行操作,操作非常简单。通过读取2个字节,尽管在两个器件之间发送完全相同的位数,却可避免器件不恰当地更新I²C寄存器的内容。

图3. 2字节读操作示意图
图3. 2字节读操作示意图

上述示例适用于MAX44000和MAX44009,进行多次读操作时不会自动递增寄存器指针。器件功能各有差异,但工作原理相同。也可以将其很容易地扩展到N字节读取操作。应用笔记AN3588:“MAXQ2000微控制器软件I²C驱动”一文给出了几个C程序示例。