CN102033837B - I2c/smbus阶梯以及阶梯使能的ic - Google Patents
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Abstract
本发明涉及I2C/SMBUS阶梯以及阶梯使能的IC。I2C/SMBUS阶梯以及阶梯使能的IC(设备)实现菊花链式I2C/SMBus通信。该设备在监控和/或服务于高电压蓄电池堆栈和其他电压堆栈时尤其有用。由电压堆栈中的各自电压增量来为设备供电,并且该设备包括电平移位电路以使得可利用高达电平移位电路的击穿电压的输入电压来进行操作。公开了各种特征,其包括但不限于独特的数据线驱动、在具有用于电路保护和电容耦合电荷擦除的线钳位电路的、菊花链中的设备之间的电容耦合、以及适应链等待时间的时钟伸展。
Description
技术领域
本发明涉及总线结构和方法的领域。
背景技术
I2C是由飞利浦公司发明的多主设备串行计算机总线,其用于将低速外围设备附接到母板、嵌入式系统或蜂窝电话。该名称代表内置集成电路。
系统管理总线(缩写为SMBus或SMB)是用于与母板上的低带宽设备(尤其是与功率有关的芯片,例如膝上型计算机的可充电蓄电池(battery)子系统)进行通信的简单双线总线。其他设备可能包括温度传感器和背光开关(lid switch)。设备可以提供制造商信息,指示其型号/零件号,对于暂停事件保存其状态,报告不同类型的误差,接受控制参数以及返回状态。SMBus通常不是用户可配置或可访问的。该总线由因特尔公司在1995年限定。该总线载送时钟、数据和指令,并且基于飞利浦公司的I2C串行总线协议。该总线的时钟频率范围是10kHz到100kHz。该总线的电压电平不同于I2C的电压电平,但是属于两个系统的设备通常被成功地混合到相同总线上。SMBus具有被称为ALERT#的额外可选信号,该信号可以被从设备(slave)用来向控制器发送中断请求。
这两个总线是使用双向时钟线和双向数据线的双向总线,所述双向时钟线和双向数据线都由上拉电阻器拉到高位,除非由总线上的一个或多个设备拉到低位。一般来说,I2C总线和SMBus是兼容的,但是在这两个之间存在一些细微的差异。然而,当设备是堆栈式时(例如可能是高压蓄电池堆栈监控器中所需的),所需的支持电路是昂贵的并且大的,从而需要许多光耦合器和微控制器来管理包间(pakc-to-pack)通信。
为了参考的目的,通过参考将2000年1月的I2C-总线规范版本2.1和2000年8月3日的系统管理总线(SMBus)规范版本2.0结合于此。
发明内容
一种I2C/SMBus兼容设备,包括:
集成电路,其具有:
第一和第二功率输入端子,所述第二功率输入端子相比于第一功率输入端子连接到更高的电压;
第一集成电路部分,其形成具有分别用于接收并发送数据和时钟信号的SDAs数据线和SCLs时钟线的从设备部;
第二集成电路部分,其形成具有分别用于接收并发送数据和时钟信号的SDAM数据线和SCLM时钟线的主设备部;
第一集成电路部分和第二集成电路部分由电平移位电路耦合以在主设备部和从设备部之间传递时钟和数据信号;
由此多个设备可以以菊花链的方式连接。
附图说明
图1图示根据本发明的设备的菊花链接能力,所述设备可以被用来监控电压堆栈,例如串行连接的蓄电池和蓄电池单元。
图2图示根据本发明优选实施例的设备独有的某些细节。
图3A到图3C是图示本发明的多个设备的菊花链连接的各种操作的时序图。
具体实施方式
本发明的I2C/SMBus阶梯(ladder)是实现菊花链接的I2C/SMBus通信的通信系统。这消除了许多应用(尤其是通常在汽车或蓄电池备用系统中看到的高压蓄电池堆栈)中的昂贵光耦合器。一种新型锂蓄电池实现高功率和高能量包,并且用于传统I2C/SMBus通信设备的典型支持电路是昂贵的并且大的,从而需要许多光耦合器和微控制器来管理包间通信。本发明还在例如在超级电容器、燃料电池和太阳能电池中找到的其他电压堆栈中使用。
I2C/SMBus标准和用于在这些总线系统上进行通信的公用设备是公知的(参见先前标识的并且通过参考结合于此的规范),并且因此本公开将集中于本发明不同于普通现有技术设备和它们的通信协议的方面。所传达的信息当然将取决于应用,并且可以以与现有技术相同的方式来收集、格式化等等。对于可充电电池的情况,该信息通常包括单独的电池电压和温度。
图1图示本发明的I2C/SMBus阶梯使能的IC的典型应用。如在此处所示出的那样,在高压蓄电池堆栈中IC可以是菊花链接。每个IC桥接更大蓄电池堆栈中的多个电池,第一个IC被耦合到主机微控制器。如后续应该看到的那样,本发明的菊花链略微不同于传统的菊花链,在于每个设备重新计算值,例如PEC(分组误差检查)值和数据检查字节,并且将所接收的数据以及其具有新PEC值和数据检查字节的数据电平移位并中继到链中的下一设备。特别地,PEC当前用于SMBus系统中。然而,在标准系统上,在任何给定SMBus查询中,仅存在一个PEC,其通常在每个设备处被检查,但是没有被重新计算。但是在本发明的SMBus阶梯上,链中的每个设备处的PEC都不同,因为前一位流对于每级是不同的。例如,在10设备全读取命令中,设备#10从设备基于仅2字节数据来生成PEC。设备#09从设备检验其接收到的PEC值,并且基于4字节数据来生成完全不同的PEC。设备#08检验其接收到的PEC值,并且基于6字节数据来另外生成第三个PEC,等等,其中设备(总数-N)生成N*2个字节以及相应的PEC。PEC检验单独的链路,所以存在所生成的10个不同的PEC以及10个不同的检验。提供一种检验每个链路对其结果满意否则不传递数据的机制。
图2是图示在示例性应用中本发明的I2C/SMBus阶梯使能的IC的示例性实施例的图。从相应蓄电池堆栈分段的每个端(在本文中被标为GNDM和GNDS)为电路供电。IC本身包括被传统的电平移位电路20分开的上部和下部。该下部被称为从设备并且该上部被称为主设备,其中每个IC的下部分是该IC下面的IC的主设备部分的从设备,如果该IC是堆栈中的第一个IC,则它是微控制器的从设备。
每个IC的主设备部分和从设备部分被分开供电。对于优选实施例中的从设备部分,接地端子是蓄电池堆栈分段的较低端GNDS,从设备部分的相对低电压正功率VDDs从蓄电池堆栈分段两端的电压得到。对于主设备部分来说,接地端子是蓄电池堆栈分段的较低端GNDM,主设备部分的相对低电压正功率由电荷泵(通常由数字22指示)从从电源得到。这样,最大输入电压(GNDM-GNDS)将由在电平移位电路中使用的晶体管的击穿电压确定。
在图2中,SDAs和SCLs分别是数据线和时钟线。这些线在堆栈中的相邻IC之间电容耦合。还在图2中,仅示出作为电路的剩余部分的接口电路,并且其功能可以是常规设计,除了IC的两个部分之间的电平移位之外。对于向下沿着SDAM线上的阶梯传递到所示IC的信号,信号传递通过施密特触发器和尖峰滤波器,通过电平移位,并且继续向下沿着SDAs线上的阶梯传递。对于沿着阶梯上升或下降的位的输入和输出之间的延迟是位时间的一小部分(参见图3C)。对于沿着阶梯上升的外出信号,当SDAM线要被拉为低时,接通晶体管Q1。当该线要被拉为高时,或门OR1接通晶体管Q2以将50K上拉电阻器耦合到该线。同时,或门OR2触发单触发电路,该单触发电路使晶体管Q3脉冲接通达250ns以将3K上拉电阻器耦合到该线达250ns。这提供了快得多的(较低的阻抗)瞬间上拉,其中50K电阻器在该线上维持高状态,除非被总线上的另一设备下拉。响应于可以被施加于用于起源自该IC的数据的SDAM线的写入信号W来获得相同的效果。可以是齐纳二极管的钳位电路仅仅限制在SDAM线上摆动(swing)的高电压,低电压摆动由IC中的寄生二极管限制。当蓄电池包被代替时这提供了保护以免于在图2的耦合电容器上出现电荷,或使图2的耦合电容器上缺少电荷,并且清除在确认期间因为总线连接而在电容器上产生的电荷累积。在一个实施例中使用推挽式输出端来简单地缓冲时钟线SCLM输出,但是还可以有利地使用漏极开路实施方式,如下文所描述的那样。
对于SDAs线的接口电路与对于SDAM线的接口电路相同,因为任一条线可以发送并接收各自线上的信息。然而,时钟线SCLs具有保护钳位电路,以限制在该线上的电压摆动,从而保护施密特触发器的输入。应该注意,在每个IC处,高效地重新生成信号,从而保持信号和时钟质量,与信号方向无关的相对时序和持续时间。
本发明设备的阶梯具有如下协议限定和模拟限定。
如在传统SMBus中那样,主时钟可以是推/挽式CMOS或者漏极开路。如果时钟是漏极开路,则可以实施时钟伸展,如在图3B中针对ReadDevice命令所示的那样。在时钟伸展中,寻址的从设备可以在接收到指示它没有准备好处理更多数据的位之后保持时钟线为低。与从设备进行通信的主设备将试图升高时钟以发送出下一位,但是必须验证时钟线实际上被升高。如果从设备是时钟伸展的,则时钟线将仍为低,因为IC可以比上拉电阻器所能提供的更强地将电流灌入地。在没有时钟伸展的情况下,ReadDevice命令不被支持,并且分别由ReadAll命令代替,下文中将描述这样的命令。时钟伸展允许在任何读取命令期间“缩小到合适”的时序,因为伸展的时钟自动管理级延迟(参见图3B)。这等同于在上文参考的SMBus规范的第22页开始描述的章节4.3.3时钟低扩展,尽管在SMBus规范中这被用来允许具有不同速度能力的设备之间的通信,但是在本发明中,它被用来适应阶梯链等待时间。
本发明支持自动寻址,其需要在使用菊花链系统的地址位中的变化。该变化仍与总线上具有传统I2C/SMBus IC兼容,但是需要用于任何菊花链式设备的地址位中的反转,以允许IC到IC地址的连续增加,而不用等待全地址的接收。根据表1来管理地址字节。
地址字节
表1
下面讨论协议的各个方面并且在图3A-3C中图示这些方面,如下:
自动寻址
“HelloAll”命令或任何“WriteAll”或“ReadAll”命令(图3A)自动为链中的每个设备分配(或刷新)连续地址(注意在所有三种情况下,在表1中的D7和D6都被设置成1)。
然后可以在“WriteDevice”命令期间使用这些地址以写入到菊花链中仅一个所选择的设备。
然而,对于ReadAll期间的PEC管理,需要每个设备也知道在该链中有多少设备在其本身之后。还需要主机知道在该链中总共有多少个设备。这允许主机(以及每个中间设备)在数据流的端部适当地为PEC字节定位。每个中间设备必须还认识到所接收的PEC字节,所以它可以验证数据的完整性。由于这个原因,“RollCall”或“ReadAllAddress”命令(参见图3A)是特定的。
包插入与移除
当蓄电池包以及其IC被移除或插入时,没有示出的警报线将停止脉动,以指示警报。主机应该执行“RollCall”命令以确定现在有多少个设备在总线上。同时每个设备将自动接收新(相同或不同)的地址。每个设备将报告其地址(以通常用于寻址的相同格式,其中首先为LSB)。在报告其地址并且没有检测到阶梯中的另外的IC之后,阶梯中的最后IC将报告0xFF。当0xFF被报告时,已发现最后的设备。这向主机指示不再存在设备了。
在主机已确定设备数量之后,它应该发送SetDeviceCount命令(一种WriteAll命令)。这向每个设备通知之后有多少个设备,以使得每个设备知道什么时候生成或期望PEC。应该注意,出现故障的PEC也可以指示设备数目的变化。
通信超时
如果SCLs输入保持高或低达比10ms长的时间,则中断任何事务,并且设备表现得就好像它观察到停止状况那样。主机可以通过保持空闲达比10ms长的时间来确保所有设备都处于“准备通信”的状态。
所管理的上拉
SDAM和SDAS是管理的漏极开路系统。实际上,SDA线在某些位期间仅被驱动,并且在驱动下拉的时候,不驱动上拉。这实际上表现地像CMOS逻辑,因为上拉和下拉设备通常不会竞争。在任何写入阶段,SDAM线使用其上拉(除非下拉FET被接通),并且在读取阶段,SDAS线使用其上拉。此外,主机可以具有正常的上拉。在任何写入阶段的ACK位期间,主设备和从设备存在竞争,因为主设备驱动其上拉,但是从设备对于ACK可以拉低。这将造成将一些电荷累积到IC到IC耦合电容器上(参见图2)。因为这仅对于每字节一个位出现,所以如果上拉电阻器和耦合电容器之间的RC时间常数比最大ACK位长度大几倍,则将在耦合电容器上累积非常少的电荷。
在确认位期间出现仅有的位竞争时间。在确认期间,接收确认的那一方必须利用其自己的上拉来监听,因为不保证其他方还在谈话。
主动边缘(active edge)
当SDAM处于写入模式(设置W位),或者SDAs处于读取模式时,数据线具有主动下拉,并且以快速3k上拉驱动达最初250ns。在剩余的写入阶段期间,50k上拉被用来保持DC状态。该快速边缘允许快速通信,同时较慢的50k降低在确认位期间耦合电容器两端的竞争(其中一侧驱动为低,并且另一侧使用其上拉来监听)。
本发明消除了许多应用(尤其通常在汽车或蓄电池备用系统中看到的高压蓄电池堆栈)中的昂贵光耦合器。一种新型锂蓄电池实现高功率和高能量包,并且典型支持电路是昂贵的并且大的,从而需要许多光耦合器和微控制器来管理包间通信。本发明的类似特征包括:
抑制包间的DC电压差。电压容差的量值由耦合电容器限定。
在链的每个节点处重新生成时钟和数据信号,其保持信号的完整性。
在受控的集成电路环境内部利落地执行电平移位。
GNDM和VDDM通过电容器“固件连接”到上邻居的地GNDs。该电容器连接为包电压变化和包间AC电压提供前端供电抑制。
由电荷泵从GNDs和VDDs来生成GNDM和VDDM。GNDM是DC链接到PCKP的,所以GNDM1处的电压等于GNDS2处的电压,并且VDDM1=VDDS2,尽管这些电压不必精确相等。
电容耦合保证接口之间的DC阻隔,这改进该接口处的高电压容差。
该系统因为SCL/SDA上拉电阻器而具有最大频率。示例性实施例实现>200kbps的数据率,包括250ns尖峰滤波。
管理上拉电阻器以降低竞争时间,所述竞争时间被限定为当耦合电容器的一侧被拉到不同于该耦合电容器另一侧的状态时的时间。通过降低对仅ACK位的竞争,降低了所需的耦合电容器值。
该系统具有最小频率。因为所管理的上拉电阻器,在耦合电容器两端存在任何位竞争的仅有的时间在ACK/NACK读取期间。接收侧必须使用其上拉,同时传送侧下拉(或不下拉)。该位竞争最终在耦合电容器两端创建电压,这将降低后面位上的噪声容限。利用在通信管脚处的钳位电路来清除该电容器电压。
结合包误差检查来容许通信误差。
本发明的菊花链阶梯具有一些关键特征。特别地:
每个级被电容器DC隔离。
设备根据它们在链中的序列被“自动寻址”。
本发明使用时钟回波而支持“缩小到合适”的时序。“缩小到合适”意味着通信精确地适合于链等待时间。
该协议支持广播读取和写入以最大化总线的使用。
提供和共模抑制出现在IC内部,并且不依赖于外部元件。
该协议是鲁棒的、抗噪声的并且容错的。
本发明的IC可以以传统的集成电路来实现,或者通过在所存储的程序控制下操作的每个IC中使用板载软件控制的硬件来实现。尽管为了说明而非限制目的在本文中已公开并描述本发明的优选示例性实施例,但是本领域技术人员应该理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下可以做出形式和细节上的各种变化。类似地,本发明可以在不使用本文所阐述的特定电路或整个协议的情况下实施。
Claims (11)
1.一种I2C/SMBus兼容设备,包括:
集成电路,其具有:
第一和第二功率输入端子,所述第二功率输入端子相比于第一功率输入端子连接到更高的电压;
第一集成电路部分,其形成由来自所述第一功率输入端子的电压以及从所述第二功率输入端子上的电压得到的电压供电的从设备部,所述从设备部具有分别用于接收并发送数据和时钟信号的SDAs数据线和SCLs时钟线;
第二集成电路部分,其形成由来自所述第二功率输入端子的电压以及由电荷泵从从设备部功率获得的电压供电的主设备部,所述主设备部具有分别用于接收并发送数据和时钟信号的SDAM数据线和SCLM时钟线;
第一集成电路部分和第二集成电路部分由电平移位电路耦合以在主设备部和从设备部之间传递时钟和数据信号;
由此多个设备可以与每个后续设备成电堆栈,在所述堆栈中每个后续设备的第一功率输入端子与前一设备的第二功率输入端子耦合。
2.根据权利要求1所述的设备,其中当多个设备成电堆栈时,每个设备被配置成检验其接收到的包误差检查值并且为被中继到菊花链中的下一个设备的数据计算新的包误差检查值。
3.根据权利要求1所述的设备,其中第一和第二集成电路部分中的每一个都保持信号和时钟质量、与传播通过设备的信号方向无关的相对时序和持续时间。
4.根据权利要求1所述的设备,还包括SDAs数据线、SCLs时钟线和SDAM数据线上的电压钳位电路,由此当多个设备在电堆栈中电容耦合时,SDAs数据线、SCLs时钟线和SDAM数据线受到保护以免受电容耦合上的电荷聚集的影响。
5.根据权利要求4所述的设备,还包括SCLM数据线上的电压钳位电路,由此当多个设备在菊花链中电容耦合时,SCLM时钟线受到保护以免受电容耦合上的电荷聚集的影响。
6.根据权利要求1所述的设备,其中该设备被配置成接收其他线上的附加数据输入,并且从设备部被配置成使用其从设备部分的SDAs数据线和SCLs时钟线来传送附加数据。
7.根据权利要求1所述的设备,其中该设备具有自动寻址能力,由此当多个设备以菊花链方式连接到控制器时,一旦从控制器接收到第一命令,每个设备将根据其在菊花链中的位置来向其自己分配一系列地址中的一个地址,并且将其地址报告给控制器,菊花链中的最后设备也报告它是菊花链中的最后设备。
8.根据权利要求1所述的设备,其中该设备包括包误差校正。
9.根据权利要求8所述的设备,其中响应于第二命令,该设备接到在菊花链中该设备之后有多少个设备的通知。
10.根据权利要求1所述的设备,其中SDAM数据线处于写入模式或者SDAs线处于读取模式,各自的数据线具有主动下拉,并且在处于上拉时,最初通过相对低的上拉电阻来驱动,并且在剩余的写入阶段期间,通过相对大的上拉电阻来驱动。
11.根据权利要求1所述的设备,其中该设备包括在读取操作期间时钟伸展的能力以在以菊花链连接多个设备时适应阶梯链等待时间。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |