四通道I2C多路復(fù)用器提供了地址擴展、總線緩沖和故障管理

　　引言

　　隨著數(shù)據(jù)處理、海量存儲和通信系統(tǒng)的發(fā)展，用于傳送諸如溫度、扇速、系統(tǒng)電壓和關(guān)鍵產(chǎn)品數(shù)據(jù)(VPD，例如：電路板標(biāo)識)等信息的子系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜程度成比例地增長。在這些信息的傳送中，最常用的就是兩線式串行總線，比如：I2C或SMBus。

　　在這些系統(tǒng)的設(shè)計中會出現(xiàn)若干實際問題，特別在系統(tǒng)規(guī)模日益擴大的情況下更是如此。首先，諸如小型可插拔式光學(xué)模塊(SFP)等眾多設(shè)備都具有硬連線I2C地址，故由于地址沖突的原因而無法使用多個這樣的設(shè)備。其次，由于設(shè)備種類的增加以及有越來越多的I/O板卡需要在系統(tǒng)上進(jìn)行熱插拔，因此，I2C設(shè)備產(chǎn)生混亂并把總線保持于低電平的可能性有所增加。第三，隨著等效總線電容的增加，總線定時規(guī)格的滿足變得困難起來。除了這些大的系統(tǒng)問題之外，在安裝一個新的I/O板卡時進(jìn)行功率循環(huán)并不是任何規(guī)格的不間斷電源都擁有的功能選項。

　　具有總線緩沖器的LTC4306四通道兩線式總線多路復(fù)用器/開關(guān)解決了所有這些問題。上行兩線式總線(SDAIN、SCLIN)上的一個主控器可通過LTC4306的總線緩沖器和多路復(fù)用器/開關(guān)連接至下行總線的任何組合。因此，相同的設(shè)備地址可在多根下行總線上使用。緩沖器在上行和下行總線之間提供了容性隔離，從而為系統(tǒng)負(fù)載的分割創(chuàng)造了條件。上升時間加速器在克服電容局限性方面起到了進(jìn)一步的幫助作用。當(dāng)總線處于低電平的持續(xù)時間達(dá)到了設(shè)定的長度時，阻塞低電平超時電路將使上行總線與下行總線斷接，從而把上行總線解放出來，以恢復(fù)通信。最后，LTC4306的任何兩線式總線引腳都可在一個帶電系統(tǒng)上進(jìn)行插拔操作，而不會對其造成損害。LTC4306可采用2.7V至5.5V的電源電壓。

　　一般操作

　　圖1示出了LTC4306的方框圖。UVLO比較器將阻止LTC4306接收命令，直到VCC電壓升至2.5V(典型值)以上為止。這將確保LTC4306在其擁有足夠的偏置電壓之前不會試圖運行。當(dāng)ENABLE引腳被拉至1V以下時，LTC4306將被復(fù)位至其缺省的高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且毫不理會在其兩線式總線上進(jìn)行的任何通信嘗試。當(dāng)ENABLE引腳被回拉至1.1V以上時，主控器可以恢復(fù)與LTC4306的通信。

 

　　與一根阻塞總線斷接

　　當(dāng)兩線式總線阻塞于低電平的持續(xù)時間達(dá)到了一個設(shè)定的長度時，LTC4306將使上行總線與下行總線斷接。主控器隨后處于空閑狀態(tài)，以在上行總線上恢復(fù)通信(假定問題的起因存在于一根下行總線上)。阻塞低電平超時電路負(fù)責(zé)監(jiān)視下行SDA和SCL開關(guān)的兩個共用的內(nèi)部節(jié)點，并在任一個內(nèi)部節(jié)點電壓低于0.52V的情況下運行一個定時器。當(dāng)這兩個內(nèi)部電壓均高于0.6V時，該定時器將被復(fù)位。利用寄存器2，主控器能夠設(shè)定7.5ms、15ms或30ms的時間，或者，它們也可選擇停用超時功能。

　　兩線式總線緩沖器和多路復(fù)用器開關(guān)提供了電容緩沖和電平移動

　　主控器向寄存器3寫入數(shù)據(jù)，以連接至下行通道的任何組合。兩線式總線緩沖器在上行SDAIN、SCLIN總線和下行總線之間提供容性隔離。由于擁有了此項功能，主控器便可在其系統(tǒng)的不同位置上采用LTC4306，以把一根大型總線分裂成若干個較小的總線。當(dāng)連接了任何下行總線時，LTC4306將允許通過一個外部電阻器把READY引腳拉至一個邏輯高電平。

　　按照缺省設(shè)置，LTC4306僅與高電平的下行總線相連。與低電平下行總線相連的嘗試將是勞而無功的，并將導(dǎo)致LTC4306把ALERT#引腳拉至低電平，以表示發(fā)生了一個故障。主控器可通過向寄存器2寫入數(shù)據(jù)并指示LTC4306執(zhí)行連接命令(這與下行總線的邏輯狀態(tài)無關(guān))來取代該功能。

　　上行和下行總線上拉電源電壓可在2.2V至5.5V的范圍內(nèi)變化，而不受LTC4306 VCC電壓的影響—— LTC4306因而能夠在具有不同上拉電壓的總線之間提供電平移動。為了保證同時連接多個下行通道時的正確運作，需確定LTC4306 VCC電壓低于或等于所有的下行上拉電壓，以維持邏輯高電平期間的通道至通道隔離度。

　　上升時間加速器縮短了上升時間

　　通過向寄存器2寫入數(shù)據(jù)，主控器便可以起動或不起動上行總線和下行總線上的上升時間加速器。當(dāng)起動時，加速器以一種受控方式接通，并向總線輸送電流，以使它們在正總線轉(zhuǎn)換期間以一個100V/μs的典型速率上升。這些大上拉電流使得用戶能夠在仍舊滿足上升時間規(guī)格的同時構(gòu)建龐大的重容性系統(tǒng)，但也進(jìn)行了轉(zhuǎn)換限制，以驅(qū)動長電纜。此外，由于加速器提供了強驅(qū)動，系統(tǒng)設(shè)計師因而能夠選擇大上拉電阻器來最大限度地減小總線邏輯低電壓，由此實現(xiàn)邏輯低噪聲容限的最小化。

　　故障信息為診斷提供了幫助

　　在發(fā)生了一個故障且LTC4306把ALERT#引腳拉至低電平之后，LTC4306將和主控器一道工作，以簡單而迅速地解決故障。LTC4306把特定的故障信息存儲于只讀寄存器0之中。被存儲的故障包括低電平阻塞總線、下行總線上的故障以及與一個下行通道的失敗連接嘗試。

　　如果故障的起因存在一根連接下行總線之上，則主控器可直接與出錯器件進(jìn)行通信。在這種場合，LTC4306以透明的方式運作，且主控器和出錯器件通過LTC4306的總線緩沖器直接通信。

　　在所有其他的場合中，LTC4306與上行兩線式總線上的主控器進(jìn)行通信，以解決故障。在主控器發(fā)送了報警響應(yīng)地址(ARA)之后，LTC4306利用其位于SDAIN上的地址做出響應(yīng)，并釋放ALERT#。如果由主控器來對其進(jìn)行尋址，則LTC4306也將釋放ALERT#。主控器通過讀出寄存器0的內(nèi)容來確定故障的起因。在主控器解決了問題之后，它把一個空字節(jié)寫入寄存器0(這是一個只讀寄存器)，以使故障檢測電路復(fù)位。

　　嵌套尋址和電平移動

　　圖2所示電路示出了LTC4306的嵌套尋址、電平移動和電容緩沖功能。為簡單起見，圖中僅給出了通道1和4。請注意，背板、板卡1和板卡4被上拉至三個不同的電源電壓。另外，雖然SFP模塊具有相同的地址，但是，只要通道1和4決不同時運行，就不會發(fā)生地址沖突。

 

　　LTC4306位于背板之上時的兩線式總線熱插拔

　　圖3示出了一個把LTC4306布設(shè)于背板之上并將一個I/O板卡插入下行通道4之中的電路。同樣，為簡單起見略去了通道2和3。在進(jìn)行板卡插拔操作之前，需確定通道4未與上行總線相連，這樣上行總線上發(fā)生的任何事務(wù)處理都不會受到干擾。如圖所示，SDA4和SCL4上的上拉電阻器位于背板上，不過它們也可以安放在I/O板卡上，只要背板上的主控器在沒有板卡插入時不與通道4相連即可。ALERT4#上的上拉電阻器必須設(shè)置在背板上，以防止在未插入板卡時發(fā)生錯誤的故障報告。

 

　　LTC4306位于I/O板卡之上時的兩線式總線熱插拔

　　在圖4中，LTC4306位于具有4根單獨下行總線的I/O板卡的邊緣。把一個200kΩ電阻器從ENABLE引腳連接至地，并使ENABLE成為連接器上最短的引腳。這將確保ENABLE引腳在所有其他引腳均連接的情況下保持在一個恒定的邏輯低電平，因此，LTC4306將處于其缺省的高阻抗?fàn)顟B(tài)，且不會受到在連接期間SDAIN和SCLIN上連接瞬變的影響。此外，應(yīng)使ALERT# 連接器引腳比VCC引腳短，這樣，VCC就將在ALERT# 形成連接之前建立起與I/O板卡上拉電源引腳的可靠連接，并向ALERT1# ～ ALERT4#上的上拉電阻器供電。當(dāng)斷接時，ENABLE首先斷開連接，并使LTC4306復(fù)位至其缺省狀態(tài)，因而當(dāng)板卡斷接時其在SDAIN和SCLIN總線上引起的擾動極小。

 

　　結(jié)語

　　LTC4306使得與大型兩線式總線系統(tǒng)相關(guān)的實際設(shè)計問題有所緩解。它充當(dāng)了一個多路復(fù)用器以提供嵌套尋址。它將在總線阻塞于低電平時使其斷接。它把一根很大的容性總線分裂成較小的分支，并允許I/O板卡在帶電系統(tǒng)上進(jìn)行熱插拔。它可記錄故障、向主控器報告、并與主控器一道高效地解決故障。