MCU I2C通信速率分析

嵌入式专栏 · 发表于 2024-9-14 12:09:00

转自 | 瑞萨嵌入式小百科

I2C是单片机开发中常见的一种通信方式，通信速率也会影响通信效率，以及硬件设计要求。

目前I2C常见的通信速率有5种：
双向通信速度（模式）：100 kbit/s：标准模式，Standard-mode (Sm)；400 kbit/s：快速模式，Fast-mode (Fm)；1 Mbit/s：快速模式+，Fast-mode Plus (Fm+)；3.4Mbit/s：高速模式，High-speed mode (Hs-mode)；
单向通信速度（模式）：5 Mbit/s：超快模式，UItra Fast-mode (UFm)。
可以参看I2C协议手册：

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今天结合瑞萨RA2系列单片机给大家分享一下I2C通信速率的内容。

一、RA系列MCU简介
RA（Renesas Advanced）系列MCU是瑞萨于2019年10月推出的基于ARM Cortex-M23/M33/M4内核的新一代产品系列，丰富了瑞萨的32位MCU系列产品。

瑞萨RA系列MCU包括4个产品系列，包括已经发布的RA2、RA4和RA6系列，以及计划发布的RA8系列，适用于从低端到高端的嵌入式终端产品。

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RA2系列MCU为瑞萨RA系列MCU的初级产品平台，基于ARM Cortex-M23内核设计，主要特性为低功耗，最高主频为48 MHz，拥有最高可达512 KB的闪存和64 KB的SRAM，电源电压范围为1.6 V到5.5 V，具有全速USB，CAN，24位∑-?，16位ADC，电容式触摸感应单元等丰富的外设资源。

RA2系列MCU有4个子产品线，包括工业传感器应用和通用应用系列：

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二、RA2系列MCU IIC通信速率分析
IIC总线是常用一种串行通信总线，RA2系列MCU有两种IIC接口配置：
1
专用IIC接口
2
用SCI配置为简易IIC接口（SCI_IIC）
在RA2系列MCU的硬件手册的描述中，明确说明以上两种IIC接口的通信速率的上限都可以达到400 kbps：
i. 专用IIC接口

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ii. 用SCI接口配置为简易IIC接口（SCI_IIC）

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通常，在实际应用中，一般都是使用瑞萨开发的灵活配置软件包（FSP）来创建所需的软件，但是在实际的FSP配置中，即使配置速率为Fast-mode，SCI_IIC也无法实现400 kbps的通信速率，在使用内部48 MHz时钟的条件下，一般只能实现大约330 kbps的通信速率：

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这是因为对于SCI_IIC，其通信速率基于以下的公式进行计算：

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基于以上的公式，可以得出以下的理论计算，上图公式中的PCLK为PCLKB，根据电气特性要求，PCLKB的最大值为32MHz：

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在PCLKB时钟选择为32 MHz时，理论计算超过400 kHz的通信速率，这已经超出了硬件手册规定的400 kHz的通信速率范围，所以硬件无法支持这个速率，实际测量值约为375 kHz，通过测试，也验证了这个结论。
在PCLKB时钟选择为24 MHz时，理论计算只能达到375 kHz的通信速率。
如果需要SCI_IIC达到400 kbps的理论最大值，通过分析，当PCLKB = 12.8 MHz，n=0, N=0时，可以得到B=400 kbps的速率，所以这需要使用一个12.8 MHz的外部主时钟。这里需要说明的是，当PCLKB设置为12.8MHz时，FSP会自动将BRR寄存器和SMR寄存器的CKS[1:0]位设置为相应的值，无需用户考虑。

所以SCI_IIC接口需要一定的硬件条件，才可以实现400 kHz的通信速率。

而对于专用IIC接口，其通信速率基于以下的公式进行计算：

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其中IICφ为基准时钟，通过分频得到400 kHz的整数倍的值即可，例如：如果外部时钟选择为20MHz时，通过不分频可得到PCLKB也为20MHz，这样FSP自动将CKS设置为0,便可得到IICφ= 20MHz，这样50个基本时钟就是400KHz了。

所以对于标准IIC接口，可以比较容易的设置硬件，从而实现400 kHz的通信速率。

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