电视机上I2C通信的E2PROM设计稳健性应用研究

2010-06-25史立原

电视技术 2010年6期

史立原

（四川长虹电器股份有限公司多媒体研发中心液晶电视技术研究所，四川绵阳 621000）

1 引言

目前，电视机中还有为数不少的数据（U/S/M/D）不能随软件固化，而需要存储在别的非易失存储器（NVM）中，I2C接口的E2PROM由于其提供字节级灵活性、质量可靠、接口简单、成本低廉等特点[1-2]，在目前电视机上得到大量应用，在电视机上E2PROM存储的数据种类及可靠性要求级别见表1。

表1 E2PROM数据分类及可靠性要求级别

电视现已进入平板时代，平板电视中需要E2PROM中存储的数据比传统CRT电视更多，如不同的屏参、ADC的校准数据等，一旦这些数据受到损坏，将表现为电视机开机后工作异常，如黑屏、花屏、无图、颜色异常等。

因此，E2PROM的设计可靠性对电视机而言至关重要，数据受损的原因有外部总线上的干扰、电源的波动、掉电上电冲击、逻辑电平异常、非标准的软件错误操作等。笔者就I2C接口的E2PROM在电视系统上的应用，针对上述实际应用问题，从硬件、软件两方面系统介绍了提高设计稳健性的关键技术。

2 硬件方面

2.1 电源

E2PROM的工作电源宽，一般为2.5～5.5 V或1.8～5.5 V，在电源管脚应使用去耦合电容（通常为0.1 μF）来帮助滤除供电电压VCC上的小纹波，保证电源应处在正常工作水平范围内。在正常工作水平范围内，E2PROM提供大量防止意外写操作和数据损坏的保护。

但是，应该考虑到上电和掉电情况，以确保电源不处于正常工作水平内时，也具有相同水平的保护。上电时，VCC应该总是从0 V开始，并直接上升到正常工作水平，以确保正常的上电复位，VCC不应滞留在不确定的电平（即低于最小工作电压）。

欠压情况下，E2PROM具有欠压复位电路，可提供额外的保护。此外，如果系统单片机欠压复位的门限电平高于E2PROM，则将VCC降到0 V可以使2个器件一起复位。否则，单片机可能会在通信过程中复位，而E2PROM保持其当前状态。在这种情况下，开始进一步通信之前，需要对E2PROM执行软件复位序列。

2.2 总线上拉电阻RP

为保证正常工作，SCL和SDA总线都需要使用上拉电阻。不过，所选择的电阻值对系统性能会有很大的影响。选择上拉电阻阻值时必须考虑以下3个限制因素：供电电压，总线总电容，高电平输入总电流。

2.2.1 供电电压（VCC）

由于最高低电平输出电压（VOL）的规定，供电电压会限制最小RP值。也就是说，对于给定的VCC电平，上拉电阻越小，所产生输出电压就越高。常规E2PROM规格书中，VOL规定为3 mA时最大值为0.4 V，即RP上的压降为VCC-0.4 V时，流过它的电流不能超过3 mA，由此可得到最小RP值RPMIN为

2.2.2 总线总电容（CBUS）

总线电容包括总线上所有引脚、连接和导线的电容。由于时间常数RC的关系，总线电容越高，需要的上拉电阻就越小，这样才能达到特定的上升时间，从而达到特定的I2C时钟速度。

式（2）是电容充电特性描述函数的通用公式

总线上升时间（TR）定义为电压从VIL上升到VIH所需的时间量（VIL=0.3×VCC，VIH=0.7×VCC），按式（2）计算的结果显示在式（3）中。式（3）为总线上升时间

根据式（3）可以得到受总线上升时间限制的最大RP值，公式为

2.2.3 高电平输入总电流（IIH）

总线处于高电平时始终存在一些漏电流流过上拉电阻，由于电阻上的压降，引脚上的有效电压将低于VCC。该压降必须足够小，以使得器件仍会将引脚上的电压视为高电平，即引脚上的电压必须高于VIH加上高电平输入噪声容限（VHMAR）。据此可得到受漏电流限制的最大RP值为

计算电阻值时使用的参数见表2。

表2中，TR基于100 kHz标准I2C速度，VIH按0.7×VCC规范计算，VHMAR按 0.2×VCC规范计算。

通过应用上述公式，计算得出电阻值极限，如表3所示。

高电平输入总电流限制的上拉电阻为50 kΩ，电阻过大，导致上升时间太慢。因此，可接受的电阻值范围为1.533～11.80 kΩ，工程上选择该范围中偏中间的值，以备提供尽可能宽的保护带。实际电视机应用中，4.7 kΩ的上拉电阻将是很理想的。

表2 示例参数

表3 电阻值极限

2.3 防意外写保护功能

为防止器件由于在上电/掉电期间电平的不确定性、总线的噪声或其他原因而导致的可能意外写操作，应使用硬件写保护措施来防止对器件的非法访问。写保护由WP引脚来提供硬件写保护功能，该引脚连接到高电平来保护整个阵列，如连接到低电平则禁止写保护。为了启动写周期，WP引脚必须驱动为低电平，否则将不会执行写周期。

目前在电视机芯上一般把WP引脚连接到系统微控制器的1个GPIO口，并需要在该引脚与E2PROM供电脚间设计电阻提供上拉。在需要执行写操作时，由微控制器的GPIO口输出低电平，此时E2PROM允许通过I2C总线写入数据，而在其他操作过程中，该GPIO口输出高电平，E2PROM不允许I2C总线写入数据。

在实际应用中需要特别注意的是，电视机上SOC系统主芯片的GPIO接口一般是3.3 V的电压，如果系统中E2PROM是5 V供电，按E2PROM的数据手册，WP的高电平需要满足0.7×VCC≥3.5 V，才确认为高电平。主芯片的GPIO接口如果配置状态不对，其输出的高电平仅为3.3 V，不能给WP提供有效的高电平，使E2PROM未处于可靠的写保护状态。发现这种情况，应将主芯片的GPIO接口设置为高阻状态，靠WP外接到E2PROM供电脚VCC的上拉电阻提供可靠的高电平。

3 软件方面

3.1 检查应答和应答查询

I2C通信E2PROM作为被控器件，在有效接收字节数据后会向主控器件发送应答位，利用该特性系统软件设计中应具有E2PROM检查应答和应答查询机制，以缩短无谓的等待时间，检测可能发生的错误，择时启动软件复位序列，提高软件系统可靠性。

主控器件发出写操作指令后，数据的写入在E2PROM中有一个内部写周期时间，在该期间，外部的任何访问都将被E2PROM忽略。规格书中标示的TWC为最坏情况写周期时间，实际应用中，由于器件的离散型，在短于TWC的时间内完成写周期是很正常的事情，软件设计中如简单地按TWC增加时延会无谓地增加主控器件的等待时间。采用应答查询机制，持续的检测E2PROM器件是否有应答，可以及时知道E2PROM已经完成内部写周期操作，及时进入后续的软件操作。

3.2 正确选择写操作模式

E2PROM提供有字节写模式和页写模式，选择适当的写操作模式，可以延长E2PROM的使用寿命。当需要改写的数据为1个字节时，应采用字节写模式；而当需要改写大量字节数据时，则应选择页写模式。页写模式利用E2PROM内部的页面缓冲器，可显著缩短写入总时间。表4给出了不同方式的写入时间比较。其中，最坏情况的计算假定使用5 ms的定时延时，器件为24LC512，页大小为512 byte。

表4 标准I2C速度下的写入时间比较

从表4可以清楚地看到，页写和应答查询都可以显著地节约时间。最坏情况下，采用标准I2C速度，将128 byte通过字节写模式写入24LC512需要大约688 ms。换为应答查询方式可将时间缩短到大约432 ms，缩短约37%。如换为页写模式可进一步将时间缩短到约15 ms，减少幅度近98%。

3.3 优化数据的存储

交流上电首次访问E2PROM需根据硬件系统的不同设置适当的延时，以避免由于上电过程中电源不稳定而造成的通信错误。

对一些模拟量调整线性等常用数据尽可能在开机时一次性读入RAM，而不是每次都访问E2PROM，提高执行效率。

切忌对同一区域反复频繁执行写操作，这样会极大影响E2PROM使用寿命。

梳理分类计划放入E2PROM中存储的数据，忌将用户数据和关键非用户数据混放，某些预置位等关键非用户数据尽管不能占满1个字节，也不要将用户的开关位分配在其中，因为它们有不同的可靠性要求级别。

3.4 软件复位机制

E2PROM器件在实际应用中，由于某些外部原因，如上电时总线噪声过大、掉电不彻底等，有时会导致E2PROM存储器进入某种错误状态，表现为其SDA锁死为低。软件设计时应在上电及每次操作E2PROM器件时检查SDA的情况，当发现异常时，强制通过发送图1所示的软件复位序列复位存储器，释放总线，之后再进行下一步的数据读写操作。