【知识分享】I2C为什么要用开漏输出和上拉电阻?-凡亿课堂

I2C为什么要接上拉电阻？

因为它是开漏输出。

为什么是开漏输出?

I2C协议支持多个主设备与多个从设备在一条总线上，如果不用开漏输出，而用推挽输出，会出现主设备之间短路的情况。所以总线一般会使用开漏输出。

为什么要接上拉电阻?

接上拉电阻是因为I2C通信需要输出高电平的能力。一般开漏输出无法输出高电平，如果在漏极接上拉电阻，则可以进行电平转换。
I2C由两条总线SDA和SCL组成。连接到总线的器件的输出级必须是漏极开路，都通过上拉电阻连接到电源，这样才能够实现“线与”功能。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。

上拉电阻阻值怎么确定?

一般IO端口的驱动能力在2mA～4mA量级。
阻值不能过小：功耗问题。如果上拉阻值过小，VDD灌入端口的电流将较大，功耗会很大，导致端口输出的低电平值增大(I2C协议规定，端口输出低电平的最高允许值为0.4V)。故通常上拉电阻应选取不低于1K的电阻（当VDD＝3V时，灌入电流不超过3mA）。
阻值不能过大：速度问题。它取决于上拉电阻和线上电容形成的RC延时，RC延时越大，波形越偏离方波趋向于正弦波，数据读写正确的概率就越低，所以上拉电阻不能过大。
I2C总线上的负载电容不能超过400pF。当I2C总线上器件逐渐增多时，总线负载电容也相应增加。当总的负载电容大于400pF时，就不能可靠的工作。这也是I2C的局限性。
建议上拉电阻可选用1.5K，2.2K，4.7K。

I2C总线基本操作

根据I2C总线规范，总线空闲时两根线都必须为高。假设主设备A需要启动I2C，他需要在SCL高电平时，将SDA由高电平转换为低电平作为启动信号。
主设备A在把SDA拉高后，它需要再检查一下SDA的电平。为什么? 因为线与，如果主设备A拉高SDA时，已经有其他主设备将SDA拉低了，由于 1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时, 会发现不是高电平，而是低电平。说明其他主设备抢占总线的时间比它早，主设备A只能放弃占用总线。如果SDA是高电平，说明主设备A可以占用总线，然后主设备A将SDA拉低，开始通信。
因此，模拟I2C一定要将GPIO端口设置为开漏输出并加上拉电阻。

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