Przedłużacz magistrali I2C

Środa, 31 Marzec 2021

Magistrala I2C jest bardzo wygodnym i tanim sposobem wymiany informacji pomiędzy układami scalonymi w obrębie urządzenia. Dobrze mieć możliwość przedłużenia zasięgu magistrali nawet o kilka metrów. Ułatwia to komunikację np. z czujnikami, bez potrzeby stosowania interfejsów szeregowych o większym zasięgu takich jak RS232 czy RS485 lub uciekania się do stosowania transmisji radiowej.

Podstawowe parametry:

transmisja sygnałami różnicowymi zapewnia duży zasięg i odporność na zakłócenia,
zasięg wynosi ok. 3 m dla trybu FM+ i może zostać zwiększony dla niższych prędkości (10 m w trybie standardowym 100 kHz),
pracuje poprawnie w zakresie zasilania 3,3…5 V.

Opisany minimoduł umożliwia przedłużenie magistrali I2C przy zastosowaniu transmisji różnicowej i typowej skrętki CAT5. Dzięki wyposażeniu modułu w zestaw złącz dla najpopularniejszych standardów płytek prototypowych (Grove, Qwiic, Arduino) pełni funkcję huba pomiędzy systemami, zwalniając z konieczności stosowania przejściówek.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna układu PCA9615

Moduł bazuje na specjalizowanym układzie bufora i kontrolera Hot-Swap magistrali I2C typu PCA9615 firmy NXP. Budowę wewnętrzną pokazano na rysunku 1. W swej strukturze układ zawiera kluczowane bufory sygnałów SDA, SCL sterowane sygnałem EN. Bufory izolują część magistrali od strony wejścia (SDA/SCL) i zapewniają zgodność ze standardem I2C, a od strony wyjścia (DSCLP/LM, DSDAP/AM) skonfigurowane są jako sygnały różnicowe - zapewniają większy zasięg i odporność na zakłócenia. Według noty producenta zasięg wynosi ok. 3 m dla trybu FM+ i może zostać zwiększony dla niższych prędkości. Oczywiście dla poprawnego działania potrzebne są dwa układy, zapewniające pełną konwersję sygnału.

Budowa i działanie

Schemat modułu został pokazany na rysunku 2. Magistrala I2C doprowadzona jest do złącz I2CA...I2CF, rezystory R7 i R8 zapewniają odpowiednią polaryzację. Układ U1 konwertuje sygnały do postaci symetrycznej dla linii danych SDA i zegara SCL, które po dopasowaniu przy pomocy elementów R1...R6 doprowadzone są do złącza LINK typu RJ45. Do połączenia pomiędzy modułami wykorzystany jest typowy kabel CAT5 (1:1).

Rysunek 2. Schemat ideowy modułu

Zwory VCC i GND umożliwiają wyprowadzenie zasilania, gdy chcemy oprócz transmisji zasilić współpracujący układ. Ze względu na niewielki przekrój przewodów i niskie napięcie zasilania modułu, należy sprawdzić, czy spadki napięcia będą mieścić się w wymaganej tolerancji.

Z przeprowadzonych praktycznie eksperymentów wynika, że przy połączeniu dobrej jakości możliwe jest zasilanie i transmisja na odległość 10 m w trybie standardowym (100 kHz).

Umożliwia to dołączenie typowych czujników środowiskowych o niewielkim poborze mocy typu BME280, LM75, a nawet modułu ekspandera PCF8574 obsługującego wyświetlacz OLED i kilka diod LED. Zwory VCC, GND muszą być wlutowane w przypadku wyprowadzenia zasilania w obu modułach magistrali.